专利名称：固态光引擎光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光和图像投影机，尤其涉及用于投影显示的照明设备。
背景技术：
当前技术公开了用于观看视频和图像的各种光源和图像投影机。最简单的光投影机包括闪光灯，更复杂的设备包括具有白炽光源的图像投影机，如美国专利No.6227669中所述。
然而，当前技术中投影机的缺点是它们可能很沉重、复杂或模糊；可能包括大量的昂贵部件；体积过大；产生过多热量；需要冷却风扇；产生过多噪声；或灯泡寿命短。所以期望能够克服一个或多个上述缺点的投影显示器。
发明内容
本发明包括一种由照明子系统和投影子系统构成的固态光引擎。
在一个示例性实现中，照明子系统利用从红、绿和蓝发光二极管(LED)输出的光照射单个硅基液晶(LCOS)微型显示器。本发明可以使用的微型显示器的例子还包括FLCOS、HTPS、德州仪器(TexasInstruments)的DLP、MEMS等。投影子系统将LCOS微型显示器成像在前投影式电视或背投影式电视(RPTV)的反射显示屏或透射显示屏上。通过短暂抖动(dithering)LCOS微型显示器和LED产生灰度和色彩。也可以使用其它微型显示器以典型LCD中的类似方式产生灰度。从而利用该系统可以轻易获得至少24-比特色彩、至少1280×1024分辨率和至少60Hz帧频的SXGA解析度。虽然本说明书中举例说明了基于投影的TV，但是本发明也可以用于计算机监视器和其它显示设备。
一个示例性的实现中包括双远心照明系统，其在来自光源物点的光锥形的最大光束扩展处漫射光，从而在图像处提供了各个光源的最佳局部均匀化。该远心照明系统可以包括远心发光二极管(LED)光源的平面阵列，该光源被至少一个Fresnel透镜远心地成像到微型显示器上。来自各个彩色LED信道的光可以通过二向色立方体结构被组合，同时被成像到显示器上。将漫射机构置于恰好最后一个Fresnel透镜之前，此处的光束扩展最大且该透镜作为该照明系统的末级成像部件。
另外，已知为非成像集中器的诸如四元组反射(quad reflective)集中器、内部全反射(TIR)差动集中器或边界光线(edge ray)集中器这样的光集中器被反过来使用从而被称为发射器，可以在照明系统中使用这些光集中器来收集然后发射来自大面积固态光源的光。该四元组差动集中器或边界光线集中器可以包括并排集成的四个单独结合的集中器，各个单独结合的集中器位于该固态光源一个象限的中心并覆盖该象限。最接近固态光源一端的周界形状还可以被描述为“四叶草(clover)”结构。与覆盖整个固态光源的单个集中器相比，该结构得到较小尺寸的高效率收集和发射的光学部件。
在一个示例性实现中，使用四元组TIR复合双曲线发射器(CHE，compound hyperbolic emitter)收集和发射来自大尺寸LED晶粒的光，且该四元组TIR复合双曲线发射器由四个单独的TIR复合双曲线发射器并排结合在一起以覆盖该大LED晶粒而组成。每一个CHE位于该LED晶粒的一个象限中央并覆盖该象限，得到比单个集中器短且小得多的高效率的收集和发射光学部件。
通过将每个晶粒的角定位在形成如具有四叶草结构的四元组TIRCHE的四个CHE中的每一个之间的重叠部分，非圆形晶粒或晶粒组的输出可以更均匀的被采集和发送。
在下文的描述和附图中将部分地举出本发明其它的特征和优点，其中，描述和示出了本发明的优选实施例，且在一定程度上，根据对以下详细说明和附图的审查，这些优选实施例对于本领域技术人员来说是明显的，或通过本发明的实践可以学习这些优选实施例。通过所附权利要求特别指出的手段和组合可以实现并获得本发明的优点。
图1示出了根据本发明一个示例性实施例的光学系统的系统配置图；图2示出了本发明一个示例性实施例中使用的光学系统聚焦远心的原理；图3示出了图1的光学系统利用双聚焦远心原理的光传播路径；图4A和4B示出了本发明一个示例性实现中使用的红色复合双曲线发射器(CHE，Compound Hyperbolic Emitter)；图4C示出了复合双曲线发射器的端面的布置，该端面用于装配LED晶粒，使收集和发射效率最高；图4D示出了单个四元组双曲线发射器的端面的布置，该端面用于装配LED晶粒，使收集和发射效率最高；图5A和5B示出了本发明一个示例性实现中使用的绿色/蓝色四元组复合双曲线发射器(CHE)；图5C示出了四元组复合双曲线发射器的端面的布置，该端面用于装配多个LED晶粒，使收集和发射效率最高；图5D示出了多个LED晶粒在图5C所示的四元组复合双曲线发射器的端面处的定位；图6示出了本发明的一个示例性实现中使用的二向色结构，该结构包括具有二向色材料的薄玻璃板；图7示出了根据本发明另一个示例性实现的光学系统的系统配置；
图8是用于控制LED光输出的电子电路的示例性实现；图9是背面投影电视的示例性结构。
应该理解，为了说明的简单和清楚，没有必要按照真实比例画出图中所示的部件。例如为了清楚，一些部件的尺寸彼此相对地被夸大了。另外，在这些图中适当地重复参考标号来表示对应的部件。
具体实施例方式
将进行详细的说明，然而应该理解，这里公开的实施例仅是本发明的示例，它们可以以各种形式实施。因此，这里公开的具体结构和功能细节不应该被理解为限制本发明，而是仅作为权利要求的基础，以及作为教授本领域技术人员以各种方式将本发明应用于任何适当具体结构的代表性基础。
现在详细参考附图(图1-8)中所示的公开内容。
如图1所示，光学系统10是由照明子系统32和投影子系统30组成的固态投影机。照明子系统32利用来自分离颜色组中设置的多个红12、绿14和蓝16发光二极管(LED)的光来照射至少一个微型显示器36。投影子系统30将LCOS微型显示器36的输出成像在前投影式电视或背投影式电视(RPTV)的反射显示屏或透射显示屏上。通过短暂抖动LCOS微型显示器36和LED产生灰度和色彩。从而利用该系统可以轻易获得至少24-比特色彩、至少1280×1024分辨率和至少60Hz帧频的SXGA解析度。对于电视的说明没有限制，没有能力接收电视广播、有线电视或其它电视信号的显示器也在本公开的范围之内。另外，本领域技术人员将会发现可以使用有机发光二极管(OLED)、固态激光器、激光器和其它窄带光源代替一个或多个LED。另外，LED可以是任何颜色，或可以产生任何波长和/或波长带的光。
照明子系统32是临界(critical)照明系统或阿贝氏(Abbe)照明系统，它分别将红、绿和蓝(RGB)LED光源12、14和16成像在LCOS微型显示器36或潜在的任何其它通用类型的空间光阀、调制器或数字光处理器上。归因于显微镜方法中的Ernst Carl Abbe应用，临界照明系统中光源被直接成像在物上。所设计的照明系统32除了是一个临界照明系统之外，还可以是双重远心的。双重远心是一个重要的特征，尤其用于在适应LED的远心结构的同时优化LCOS微型显示器36或其它基于角度的微型显示器的光处理。
现在参考图2进行说明，远心光学系统置，在该光学系统的一个焦点处设置孔径光阑60，使得入射光瞳或出射光瞳位于无限远处。孔径光阑60是物理光阑，用于限制通过该光学系统的光的数量和光的锥形角(cone)。入射光瞳是由孔径光阑60前面的所有主动光学元件形成的该孔径光阑的像。出射光瞳是由孔径光阑后面的所有主动光学元件形成的该孔径光阑的像。
具有物空间远心的光学系统具有位于该光学系统或透镜62的后焦点的孔径光阑60。从而入射光瞳位于物空间64(因为物体通常位于该空间所以称为物空间)中无限远处。从物点68平行于光轴传播的一条入射主光线66将穿过孔径光阑60的中心到达像平面65。由定义，该主光线66是来自从物点68的光线，传播穿过孔径光阑60的中心，因此也穿过入射光瞳和出射光瞳的中心，因为它们是孔径光阑的像。来自另一个物点70的主光线66以基本上相似的方式传播。对于物空间远心，如果物点发生移动，则所产生的像点的放大率不变，只是这些点在像平面中变得模糊。
类似地，具有像空间远心的光学系统具有位于该光学系统或透镜82的前焦点的孔径光阑80。从而出射光瞳位于通常像所在空间中的无限远处。从物点88传播的一条入射主光线86将穿过孔径光阑80的中心，并平行于像平面85处的光轴出射。来自另一个物点的一条主光线以基本上相似的方式传播。对于像空间远心，如果像平面发生移动，则所产生的像点的放大率不变，只是这些点在像平面中变得模糊。最后，如图2所示，双远心系统90结合了物空间远心和像空间远心的优点。
一方面，微型显示器36使用铁电液晶技术来切换单元的平面中入射光37的偏振状态。然而，微型显示器的偏振延迟(polarizationretardation)和相关状态切换的效果是铁电材料中光路径长度的函数。即，当光法向入射到其主动平面上且所有光线以几乎相同的光路径长度在铁电材料中传播时，微型显示器36最佳地操作。这对于所有基于液晶的微型显示器来说都是正确的。例如，虽然微型显示器36(如LOCS微型显示器)可以接受直到25度的轴偏离光线(f/1.2)，但是它在f/3或约10度最大入射角的情况下最佳地操作并产生最佳的对比度。f/n(f/number)表示一个光学系统的聚光能力。f/n较小的光学系统比f/n较大的系统聚集更多的光。像空间的f/n被定义为光学系统的有效焦距与入射光瞳直径的比率。然而，在典型的照明系统中，使f-n(f-number)接近于f/1从而使用于照射物体的光量最大，这种情况并不罕见。在非远心系统中，光源边缘的主光线以大角度进入微型显示器36，并以与来自该光源中心的轴上光线显著不同的方式被切换。从而，将光从光源的所有点以接近于法向入射发送到LCOS微型显示器36或任何相似的微型显示器36中是有利的。照明子系统32在LCOS微型显示器36或任何相似类型的微型显示器36处提供像空间远心，使得来自每个LED(12、14、16)的主光线垂直于其平面照射微型显示器36。这种情况下的主光线是来自这些光源中每一端的物点的光线，它们穿过孔径光阑的中心。
因此，光更加均匀地进入微型显示器36的孔径，并使得从微型显示器输出到投影屏幕的光的分布更加均匀。然而，虽然围绕主光线的光束穿过该微型显示器材料时会经历稍长的路径长度，但是在相似f-n下，来自特定光源点的大多数光比来自非远心系统的光大大接近于最佳条件。
典型地，LED(12、14、16)布置在电路板上，并且它们的发射轴与该电路板垂直。这种发射光源被认为是一种远心光源，从而建议使用远心光学系统进行成像。这种情况下，该光学系统具有物空间远心。因此，在LED处提供了物空间远心的照明子系统使得来自每个LED的主光线平行于该LED的光轴发射。即，使从LED中心平行于光轴发射的光线为主光线。
从示例的角度，本发明使用了物和像空间远心，以适应电路板上微型显示器和本身LED布局的需要。图3示出了投影机的双远心操作和从LED(12′、14、16′)发射的光线的传播路径。该照明系统可以包括玻璃、塑料、非球面或Fresnel(菲涅耳)聚光透镜(20、26、28)，将光源成像在微型显示器36上。作为示例，当前系统使用三个Fresnel透镜(20、26、28)，调节其Fresnel侧以最小化照明系统的像差。除Fresnel透镜外或代替Fresnel透镜，也可以使用标准玻璃透镜。然而，制造较大孔径和较低f/n的Fresnel透镜比制造等价的玻璃透镜更容易。另外，容易使Fresnel透镜非球面化，以校正球面像差，并且Fresnel透镜很薄很轻，比玻璃聚光透镜便宜。
该照明子系统32包括固态红、绿和蓝LED(12、14、16)光源。在一个实现中，使用红、绿和蓝LED中每种颜色的阵列作为光源。在电路板上将这些LED排列成阵列。下文中详细描述的另一个实现中，例如，所使用的每种颜色的LED排列成六边形的组合阵列(packedarray)。这些阵列由红、绿和蓝LED组成。可选地，可以使用具有所选择波段和输出功率的任何LED。可以在收集光学部件(collectionoptic)的半球形圆顶内用合适密封材料来封装红色LED晶粒。也可以在相似的半球形圆顶内用合适密封材料来封装绿和蓝LED晶粒。绿和蓝LED可以是排列在2*2晶粒矩阵中的四个晶粒。这些LED的晶粒也可以封装在相似的圆顶形空腔内的合适封闭材料中。该封装剂必须在晶粒发射表面与收集光学部件之间提供用于内部全反射的折射率匹配(index matching)材料。
阵列中所有LED以半球形Lambertian(朗伯)发射模式发射。Lambertian发射模式以该半球周围所有方向上的相等亮度发射，同时表现出强度的余弦衰减，该余弦衰减作为与该发射表面法线之间角度的函数。
然而，使用这种LED的基本问题是从该LED捕获可用光，并将该可用光集中在可以被该临界照明系统有效率地和物理地成像在微型显示器36上的一个区域和发射角内。该半球形圆顶透镜实际上很大，限制了对来自LED(12、14、16)的光的收集，并最终限制这些光在微型显示器36上的集中。关于光集中理论上的热力学限制，称为亮度守恒、吞吐量(throughput)或光展量(etendue)，是光源发射面积与其发射立体角之间的乘积，并且作为通过该光学系统传播的光是守恒的。例如，不能使具有大发射立体角的小面积光源变成具有相同发射面积的小发射立体角。
因此，可以使用复合双曲线集中器(CHC，compound hyperbolicconcentrator)来优化从可以是平面形式的LED发出的光的收集效率。复合双曲线集中器和更一般的相关器件复合抛物线集中器(CPC，compound parabolic concentrator)最初是作为用于将太阳能集中到检测器的太阳能集中器技术被开发的。当反过来使用(即用LED代替该检测器)时，它们变成高效率的照明器或发射器。同样的，以下将它们称为复合双曲线发射器(CHE)。在一个实现中，这些CHE被设计成获得最佳的内部全反射(TIR)，从而使来自LED晶粒的光收集效率最大并从而使组合的晶粒和CHE系统的发射效率最大。这些CHE装配实际的LED晶粒，但是从原始LED封装中去除半球形透镜。该CHE的表面本身被设计成通过内部全反射来反光。利用折射率匹配的密封剂来填充CHE底部的空腔，该密封剂将光从晶粒直接耦合到CHE。
在一个实现中，红、绿和蓝CHE与绿和蓝CHE不同。这是由于晶粒的尺寸不同引起的。另外，一些CHE被截取一定长度以限制它们的输出孔径，从而允许放大它们对微型显示器的输出。非截取的输出孔径的尺寸根据以下方程与输入孔径尺寸直接相关。
该截取仅将理论发射效率限制在约90％。根据经验验证了这个数字。从图4可以看出，这些CHE的形状是对称的。
如图5A-5D所示，四元组CHE具有左右对称结构。这种CHE通常是由四个单独的CHE组成的一个“四元组”CHE。另外，一些绿和蓝晶粒是红晶粒两倍大小，且实际上由四个单独的晶粒制成。
在四个单独晶粒的较大矩阵上布置单个CHE产生过大的CHE输出尺寸，最终该尺寸与将来自CHE的光成像到微型显示器36上所需要的尺寸不一致。该四元组CHE可以减小CHE的输出尺寸，同时保持适当的发射效率。另外，该四元组CHE由四个单独CHE构成，每个CHE以四个晶粒119a-119d LED中每一个的角“CC”为中心，以完全覆盖所有LED。最后，相邻CHE的表面沿以该四元组CHE为中心的平面相互修整(trim)。这些设备还必须被截取，且该截取和该修整将理论发射效率限制到65％，已经根据经验验证了该数字。
从图5A-5D可以看出，在一个示例性实现中，该四元组CHE的一端110包括由每一个单独的CHE(CHE1、CHE2、CHE3和CHE4)端116a-116d组成的圆形重叠表面端116。该方法确保利用四乘四阵列完全覆盖晶粒119a-119d。当然，该设计适于覆盖任何数量任何形状、输出功率和波长的固态光源。根据本发明的这个方面，在110端的重叠表面(或孔径)可以是任何形状(例如正方形、三角形等)和任何尺寸，以确保完全覆盖具有LED的任何形状的晶粒。
因此，可能具有如图5C和5D所示的四叶草结构(或三角形、正方形、圆形或任何多边形)的单个CHE可以以某种方式确定与晶粒之间的位置，从而使该CHE的收集效率最大，并从而使结合的晶粒和CHE系统的发射效率最大。具体而言，如图4C所示，该CHE的520端可以定位在晶粒上，以完全包含该LED晶粒12。图4D示出了具有四元组或四叶草结构的单个CHE的522端。该晶粒12的角“CC”基本上定位在每个叶瓣522a-522d的中心。
根据本发明的另一个方面，可以将多个CHE组合得到任何结构的端表面结构来代替该四叶草结构(例如五边形、六边形等)，且这些CHE的后端表面的边缘可以定位在该晶粒的角/边附近，以使该CHE的收集效率最大，进而使该结合的晶粒和CHE系统的发射效率最大。图5C中示出了由四元组CHE形成的该四叶草结构的一个例子，其中包含了例如包括蓝和绿LED的晶粒。
在本系统10中，来自红、绿和蓝(RGB)LED(12、14、16)的光在被微型显示器36处理之前必须被重新组合。可以在三色液晶显示(LCD)投影系统中使用颜色立方体(color cube)和二向色滤光器进行颜色重组和分离。
颜色立方体有时称为“X-立方体”，实际上是由四个玻璃棱镜组成的二向色分光器，这四个玻璃棱镜沿着棱镜侧面涂有特殊的涂层，但不需要沿着棱镜的斜边涂有该涂层。当这些棱镜被粘和在一起时，它们的侧面形成立方体的有涂层的对角面，因此被称为X-立方体。X-立方体的位置通常十分接近于LCD从而需要具有高光学质量。然而，颜色立方体的主要缺点包括成本、尺寸和重量。
二向色滤光器通常用于将来自典型的放电灯这样的多色(白色)光源的光分成红、绿和蓝(RGB)颜色分量，并且二向色滤光器典型地位于照明系统的光源侧。处理后的分离颜色被颜色立方体重新组合。然而，二向色滤光器的主要缺点是与颜色立方体相比它们具有较差的光学质量，且它们同时分离两种颜色而不是三种。
根据本发明的一个示例性的方面，如图1、3所示或图6中详细说明的二向色X(DX)结构被设计成在RGB LED的光输出被微型显示器36处理之前对其进行重新组合。通过将红色二向色滤光器19或蓝色二向色滤光器18或梯度二向色滤光器切为两半来构成DX结构21。可以使用梯度二向色滤光器代替均匀二向色滤光器，以补偿由作为输入光束在二向色滤光器上的入射角的函数的反射和透射的变化导致的不期望的颜色偏移。然后将每一半的末端紧固在另一个滤光器的中间，由薄玻璃平板二向色滤光器形成另一个“X”。这些二向色滤光器不需要具有高光学质量，因为它们位于本系统10的照明端，而不是位于成像路径中。由这些半滤光器之间的结合处产生的朦胧(obscuration)很小，且不在微型显示器36的共轭面内。这样以及该光学系统中的均匀化部件减轻了由接缝23产生的不均匀。
该照明系统的一个实施例中包括折叠镜(fold mirror)22，用于折叠光学路径以实现很紧凑的系统。可以使用铝涂料来改进该折叠镜22的前表面，使反射损失最小。
漫射器34恰好位于第三个Fresnel聚光透镜之前。该漫射器均匀化或使来自RGB LED光源的不均匀变的均匀。例如，该设计中使用的特定漫射器为光整形漫射器(LSD，Light Shaping Diffuser)。也可以使用塑料或磨砂玻璃的漫射器，根据系统的使用和其它参数选择漫射器。
该漫射器在该光学系统中的位置优化了到达微型显示器36的光的均匀化。例如，将漫射器布置在该临界照明系统的共轭位置处的CHE附近的光源端，不会得到最好的光均匀化输出。与光束尺寸(或光束扩展)达到最大的末端光学部件最接近的位置，在该部件的物空间侧提供了在该特定设计中最佳的均匀化。该光学系统中，达到其最大扩展的来自各个LED的漫射光在微型显示器36提供了从LED输出的光的最佳局部均匀化。
在另一个实现中，如图7所示可以去掉该折叠镜，以通过适当地设置CHE-LED组合、DX结构21、Fresnel透镜26、28和漫射器34与偏振分束器24和微型显示器36之间的位置关系使光学损失最小。
来自RGB LED光源的光是非偏振或自然偏振的。然而，入射到LCOS微型显示器上的光必须被线性偏振。另外，微型显示器可以是反射设备而非透射设备。从而，偏振部件24用于(i)线性偏振进入微型显示器的光，和(ii)将来自微型显示器的正交偏振分量反射到投影透镜上。或者，可以将该系统设计成由LED发射偏振光。这种情况下，可以用普通分束器代替偏振分束器。
在一个实现中，偏振分束器24可以是线栅(例如，偏振分束器24可以是由Moxtek公司制造的分束器)。偏振分束器24同时作为偏振器和分束器。线栅型偏振器特点是薄、轻、相对便宜，并且不会将显著的额外玻璃厚度引入照明或投影光学路径中。另外，与典型偏振分束器相比，线栅偏振器通常接受较小的f/n光束(较大或较宽的受光角)，具有高消光比，以及线性偏振光的较高投射和反射。
在另一个实现中，可以使用其它类型的偏振器，如为较快光学系统优化的具有偏振涂层的立方体分束器。或者，还可以使用线栅或其它类型的偏振器对入射到偏振分束器上的光进行预偏振。
一方面，微型显示器36可以是SXGA彩色反射式液晶显示器(LCD)，能够显示具有很高空间分辨率的全彩色计算机或视频图像。硅基液晶(LCOS)设备使用与扭曲向列型结构(tiwsted neumatic)相对的铁电结构来快速地切换入射偏振的状态。通过短暂抖动LCOS微型显示器与LED获得灰度和颜色。当前实施例中可以使用其它类型的微型显示器。例如，对于至少一个微型显示器，可以使用诸如德州仪器的DLP这样的单片技术。或者，微型显示器也可以是LCOS、FLCOS、HTPS或基于MEMS。
陷光器32是一种陷光盒体，被设计成抑制从偏振分束器24反射的正交偏振非信号光。如果不抑制这些光，则如果它们被反射或散射回信号光束路径39中就会促进对比度的显著下降。
陷光器32由涂有抗反射层(AR)的黑玻璃和高吸收性黑壁构成。涂有AR的黑玻璃定向为与入射光成45度。大多数光是所发射的可见光，其进入涂有AR的黑玻璃，并当在该吸收材料中传播时被高度吸收。余下的一小部分反射可见光向高吸收性黑色壁传播。任何散射回的光被散射到该涂有AR的黑玻璃上，该小部分光中的大部分进一步被该吸收玻璃吸收。该陷光器的空腔和相关孔径被设计成阻碍干扰光返回微型显示器和成像路径的直接路径。利用该设置可以获得多次干扰光中幅度的减小。可以增加额外的折叠，进一步抑制任何散射回的分量。
投影透镜30将微型显示器的输出成像在显示屏上。根据一个实现中的一个方面，投影透镜30可以是分六组的九个元件，f/1.75透镜，以及被设计成在约8英尺距离处投影约40英寸对角线的图像。该投影透镜在孔径光阑位置处也可以具有一个线栅线性偏振器。需要该投影透镜中的偏振器来提高在经过线栅分束器反射后信号的反差比(contrast ratio)。该分量的反差比通常仅为约20∶1-50∶1。该特定设计中线性偏振器位于光阑处，因为该空间占据最小面积且光的入射角最小。还可以与透镜镜筒无关地旋转线性偏振器，以适应由于旋转透镜来改变焦距导致的反差比的改变。
另外，如图8所示，该系统采用动态直流(DC)功率放大电路200，在特定时间间隔向各个LED(固态光源)彩色信道提供特定电流。对于每个LED彩色信道，该电路的输入是直流功率210和控制信号212。该电路板200放大该直流功率以预先调节每个LED彩色信道的电流限制，并可以被数字地或手动地控制，并且当接收到主动控制信号时将该放大的直流功率供应到相应的LED彩色信道，从而产生对于该特定信道的LED光输出。该结果是可以被数字控制的实际LED光输出和定时LED光输出，该定时LED光输出对于微型显示器上相应帧可以是彩色顺序的(color sequential)。该实现与传统电灯设计很不相同，传统设计中将交流(AC)功率提供到电灯，产生以恒定频率输出的光。
图9示出了本发明的包括若干应用领域中的一个的背面投影电视或其它视觉显示器的一般结构。
应该理解，可以使用其它实施例，并且可以在不偏离本发明相关范围的情况下进行结构和功能的改变。对于该系统的可能修改包括但不限于LED的较小或较大晶粒尺寸，从而允许非四元组CHE和所述LED一起被代替；信号处理装置，用于过滤发送到微型显示器的信号，以提高该光信号的均匀性并提高信噪比。
权利要求
1.一种非成像设备，用于提高对于从至少一个固态光源接收的光的收集效率，然后向图像投影光学系统中的微型显示器发射光，该非成像设备包括基于内部全反射的复合双曲线发射器，该复合双曲线发射器整体地安装在具有至少一个固态设备的晶粒上。
2.如权利要求1所述的非成像设备，其中该至少一个固态光源为红、蓝或绿发光二极管中的至少一个。
3.如权利要求1所述的非成像设备，其中该复合双曲线发射器中的空腔包含折射率匹配的密封剂，用于使从该至少一个固态光源发射的光与该复合双曲线发射器充分耦合。
4.一种非成像设备，在图像投影光学系统中，用于提高对于从至少一个固态光源接收的光的发射效率，该非成像设备包括四元组的基于内部全反射的复合双曲线发射器，该复合双曲线发射器整体地安装在多个晶粒上，其中该多个晶粒中的每一个晶粒包括该至少一个固态光源。
5.如权利要求4所述的非成像设备，其中该四元组的基于内部全反射的复合双曲线发射器包括多个单独的基于内部全反射的复合双曲线发射器，其被设计成覆盖该多个晶粒或晶粒面积或部分晶粒面积。
6.如权利要求5所述的非成像设备，其中每一个该单独的基于内部全反射的复合双曲线发射器基本上与该多个晶粒中的每一个晶粒的一个角对齐，以完全覆盖该多个晶粒。
7.如权利要求4所述的非成像设备，其中至少一个固态光源是发光二极管。
8.如权利要求4所述的非成像设备，其中每一个该单独的复合双曲线发射器中的空腔包含折射率匹配的密封剂，用于使从至少一个固态光源发射的光与该单独的复合双曲线发射器充分耦合。
9.一种在图像投影光学系统中将从发光二极管阵列发射的多个信号进行组合的设备，该设备包括由多个二向色或分度二向色滤光器形成的结构。
10.如权利要求9所述的设备，其中该分度二向色滤光器包括红色二向色滤光器或蓝色二向色滤光器中的至少一个。
11.一种在图像投影光学系统中在微型显示器处提供光均匀性的设备，该设备包括位于基本上远离固态光源阵列的位置处的漫射器。
12.如权利要求11所述的设备，其中在该图像投影光学系统中，该漫射器位于光束的扩展基本上达到最大的空间中一点，以及其中通过对从该固态光源阵列产生的光进行组合形成该光束。
13.投影显示中使用的一种光学系统，该系统包括固态光源阵列，其中该阵列中的每一个该固态光源与用于提高对于从该固态光源阵列输出的光的发射效率的非成像设备关联；基于二向色滤光器的设备，用于对从固态光源阵列发射并从多个二向色滤光器形成的多个信号进行组合；微型显示器，利用从该固态光源阵列输出的光进行照明；漫射器，用于均匀化该微型显示器处的光，其中在该光学系统中，该漫射器位于从该基于二向色滤光器的设备发射的光束的扩展基本上达到最大的空间中一点。
14.如权利要求13所述的光学系统，其中该非成像设备为基于内部全反射的复合双曲线发射器。
15.如权利要求13所述的光学系统，其中该固态光源阵列包括红、蓝和绿发光二极管。
16.如权利要求13所述的光学系统，还包括多个Fresnel透镜。
17.如权利要求13所述的光学系统，还包括偏振分束器，用于线性偏振传送到该微型显示器的光。
18.如权利要求17所述的光学系统，还包括陷光器，用于抑制从该偏振分束器反射的正交偏振的非信号光。
19.如权利要求15所述的光学系统，其中该非成像设备为基于内部全反射的复合双曲线发射器，其与一个发光二极管关联。
20.如权利要求15所述的光学系统，其中该非成像设备为四元组的基于内部全反射的复合双曲线发射器，其与一个发光二极管阵列关联。
21.如权利要求20所述的光学系统，其中该四元组的复合双曲线发射器的孔径是圆形的。
22.如权利要求20所述的光学系统，其中该四元组的复合双曲线发射器的孔径是三角形或其它多边形。
全文摘要
基于投影的显示中使用的一种光学系统，包括与多个基于内部全反射的复合双曲线发射器关联的多个固态光源，用于对从多个固态光源输出的光进行均匀化的基于分级二向色滤光器的设备，利用从固态光源阵列输出的光进行照明的硅基铁电液晶设备，以及使硅基铁电液晶设备处的光均匀化的偏振漫射器，其中在该光学系统中，该偏振漫射器位于从基于分级二向色滤光器的设备发射的光束的尺寸基本上达到最大的空间中一点。
文档编号G02B27/14GK1882867SQ200480017670
公开日2006年12月20日 申请日期2004年4月26日 优先权日2003年4月24日
发明者凯文·J·加西亚, 米切尔·C·鲁达, 蒂尔曼·施图林格 申请人:克罗姆诺默申成像应用公司