用于使用具有一个或更多个光源的光导管增加亮度的再循环系统和方法以及结合其的投影仪的制作方法

专利名称：用于使用具有一个或更多个光源的光导管增加亮度的再循环系统和方法以及结合其的投影仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于通过将来自一个或更多个光源的光有效耦合到输出而在屏幕上 提供更高亮度的系统和方法，尤其是通过使用具有一个或更多个光源的光导管进行再循环 来增加亮度并且将其结合在投影仪中。
背景技术：
在所有类型的照明和投影应用中均使用光源。多种应用都要求在很小有效发射区 域内具有高亮度等级的照明系统。这种高亮度等级传统上可以通过增加更多光源来实现。 然而，如果用于集成光源的空间有限，则技术上是不可能的，并且由于集成和使用多个光源 是昂贵的，所以在经济上很难实施。从而，本发明基于不增加光源数量的情况下增加光源的 亮度的希求来进行。例如，基于微型显示器的电视(MDTV)具有低成本和大屏幕尺寸的潜力。传统MDTV 通常由弧光灯照明。但是该光源在最低成本中是最亮的，但是将白光分离为三种颜色的需 要和短寿命是不太理想的。随着LED技术的发展，必须考虑在MDTV中将LED用作光源，以赢 得LED的长使用寿命特征和其他益处，诸如瞬间接通。然而，目前，对于使用小成像面板或 具有较大屏幕的低成本应用，LED不足够亮。可以使用LED再循环方案来增强光源的亮度， 参见Zimmerman等人发表的U. S.专利6，869，206。然而，Zimmerman等人描述了将LED包 括在具有一个光输出孔的光反射腔中。而且，Zimmerman等人发表的U. S.专利6，144，536 描述了具有玻璃壳的荧光灯，荧光体涂层包围气体填充的中空内部。由荧光体涂层生成的 一部分光被循环反馈回荧光体涂层。要求保护的发明基于在屏幕上提供更高亮度的希求， 通过将来自一个或更多个光源的光有效耦合到输出，特别是通过使用具有一个或更多个光 源的光导管进行再循环来增加亮度并且将其结合到投影仪中来进行。例如，LED是在诸如一般照明、建筑照明的多种照明应用(最近尤其是在投影电 视)中使用的一种光源类型。由于LED的亮度低，大多数显示器或投影仪系统的延伸性有 限，其通常在屏幕处将最高限度设置到最大输出。当例如在投影仪中使用时，LED必须以高 亮度等级在小有效发射区域中发光，以在投影仪屏幕上提供必需的高光输出。特别地，LED 必须提供如将在投影仪中使用的小发射面积中以小立体角以流明为单位测量的强亮光。虽然发光二极管(LED)开发已经取得了巨大进展，但是当前可用LED的输出亮度 仍然不足以用于大多数投影应用。多种方法已经被提出用于结合LED的原色与输出光的再 循环以增加亮度。然而，这些方法中的大多数涉及利用昂贵的部件和/或导致大且笨重的 装置，这大大限制了它们的应用。从而，要求保护的发明基于提供用于增加亮度的系统和方 法的希求，通过使用解决这些问题的具有一个或更多个光源(包括但不限于LED、弧光灯、 UHP灯、微波灯等)的光导管进行再循环并且提供结合其的投影仪来进行。要求保护的发明 的投影仪还可以复用颜色，以提供彩色像素显示和时序显示。

发明内容
从而，要求保护的发明的目标在于提供用于使用具有一个或更多个光源的光导管 来增加亮度的再循环系统和方法。要求保护的发明的另一目标在于提供结合前述再循环系统的投影仪。根据要求保护的发明的示例性实施例，再循环系统和方法使用具有至少一个光源 的至少一个再循环光导管来增加光输出的亮度。再循环光导管的输出端将第一部分光反射 回光源，将第二部分光反射回再循环光导管的输入端，并且发射其余部分光作为输出。再 循环系统被结合到投影仪中，以提供亮度增加的彩色投影图像。光源可以是白色LED、彩色 LED以及双抛物面反射器(DP 灯。要求保护的发明的多种其他目标、优点和特征将从随后的详细说明变得更加明 显，并且新特征将在所附权利要求中特别指出。


通过示例给出并且不旨在将要求保护的发明单独地限制至其的以下详细说明，将 结合附图最好地理解，其中，多个图中的类似部件或特征由类似参考标号表示。图1示出根据要求保护的发明的示例性实施例的包括光导管1000的再循环系统 的透视图；图2(a)-(C)示出根据要求保护的发明的示例性实施例的再循环系统的截面图；图3示出根据要求保护的发明的示例性实施例的再循环系统的截面图，该再循环 系统包括六面光束组合器和至少两个光导管；图4(a)_(c)示出根据要求保护的发明的示例性实施例的涂覆有部分反射涂层或 空间反射部分的六面光束组合器的对角线表面的透视图；图5和图6示出根据要求保护的发明的示例性实施例的结合至少两个图1的光导 管的图3的再循环系统的截面图；图7示出根据要求保护的发明的示例性实施例的具有以线性方式放置的光学部 件的图6的再循环系统的截面图；图8示出根据要求保护的发明的示例性实施例的包括至少三个图1的光导管的图 6-图7的再循环系统的截面图；图9示出根据要求保护的发明的示例性实施例的包括至少四个图1的光导管和至 少两个六面光束组合器的再循环系统的透视图；图10是根据要求保护的发明的示例性实施例的包括光束组合器、两个光导管以 及两个基于DPR的光源的再循环系统的截面图；图11是根据要求保护的发明的示例性实施例的光束组合器的透视图；图12是根据要求保护的发明的示例性实施例的包括反射偏振器的图1的再循环 系统的截面图；图13是根据要求保护的发明的示例性实施例的包括反射偏振器的图7的再循环 系统的截面图；图14是根据要求保护的发明的示例性实施例的包括渐缩形偏振光导管系统和 Dra灯的再循环系统的截面图15(a)是根据要求保护的发明的示例性实施例的图14的渐缩形偏振光导管系 统的截面图；图15(b)是根据要求保护的发明的示例性实施例的图15(a)的渐缩形偏振光导管 系统的反射孔的透视图；图16是根据要求保护的发明的示例性实施例的包括至少两个图14的渐缩形偏振 光导管系统和光束组合器的再循环系统的截面图；图17是根据要求保护的发明的示例性实施例的结合再循环系统的LED投影仪的 截面图；图18是根据要求保护的发明的示例性实施例的结合再循环系统的LED投影仪的 截面图；图19是根据要求保护的发明的示例性实施例的利用两个LED的图18的LED投影 仪的截面图；图20是根据要求保护的发明的示例性实施例的装配在散热基板上的两个和四个 LED的透视图；图21是根据要求保护的发明的示例性实施例的作为固体光学部件的的再循环反 射器的截面图；图22-图M是根据要求保护的发明的示例性实施例的包括小透镜阵列的光投影 仪的截面图；图25-图27是根据要求保护的发明的示例性实施例的包括光束分离器/组合 (BSC)系统的再循环系统的截面图；图观(a) - (f)示出根据要求保护的发明的示例性实施例的LED或LED芯片的多种
配置；图四是根据要求保护的发明的示例性实施例的RGB顺序投影仪的截面图；以及图30是根据要求保护的发明的示例性实施例的光源的截面图。
具体实施例方式参考附图，现在描述要求保护的发明的示例性实施例。这些实施例示出了本发明 的原理，并且不应该解释为限制本发明的范围。将来自一个或更多个光源的光有效耦合到输出而在屏幕上提供更高亮度。虽然光 源的亮度在标准照明系统中不能增加，但是要求保护的发明利用光源的再循环和组合，在 屏幕上提供更高输出强度。要求保护的发明通过来自一个或更多个光源的输出的再循环和 组合，提供来自一个或更多个光源的高输出。可应用于要求保护的发明的多种配置和实施 例的光源是弧光灯、UHP灯、LED、微波灯等。现在转到图1，根据要求保护的发明的示例性实施例示出了包括光导管1100的再 循环系统1000。光导管1100可以是实心的或者空心的。光导管1100可以是直的或者渐缩 形的。光导管1100的输入端1200包括反射输入表面或反射输入部分1210以及输入孔或 透射部分1220。反射输入表面1210包括能够反射以反射光的输入端1200的一部分，并且 输入孔1220包括透明的以将输入光透射至光导管1100的输入端1200的其余部分。根据 要求保护的发明的一个方面，输入孔1220可以是矩形的、圆形的、或者任何合适形状，并且反射输入表面1210可以包括支持偏振光系统的可选波片(未示出)。光导管1100的输出端1300包括反射输出表面或反射输出部分1310以及输出孔 或透射输出部分1320。反射输出表面1310包括能够反射以反射光的输出端1300的一部 分，并且输出孔1320包括透明的以透射或输出来自光导管1100的光的输出端1300的其余 部分。根据要求保护的发明的一个方面，输出孔1320可以是矩形的、圆形的或任何合适形 状，并且反射输出表面1310可以包括支持偏振光系统的可选波片(未示出)。根据要求保护的发明的示例性实施例，输出孔1320可以被形成为与所要求照明 或投影系统的形状与尺寸匹配。例如，输出孔1320可以是圆形或者纵横比为6 9或4 3 的矩形。通过输入孔1220进入光导管1100的输入光被透射至光导管1100的输出端1300， 并且通过输出孔1320从光导管1100部分地出去。即，部分光被反射回输入端1200，并且部 分光通过输出孔1320从光导管1100出去。光导管1100将部分光从输入孔1220反射至输 出孔1320。可以在输入孔1220处使用的光源可以是LED，来自光导管的输出，来自由LED 或激光器激励的荧光体的输出，或来自LED或激光器所泵浦的上转换材料的输出。光源还 可以是弧光灯、微波灯、或者具有反射器的灯。图2(a)_(c)示出根据要求保护的发明的实施例的再循环系统1000的多种示例。 图2(a)示出包括具有LED 1400的渐缩形光导管1100的再循环系统1000的截面图。输入 到渐缩形光导管1100的光来自LED 1400。渐缩形光导管1100的输出端1300包括用于透 射一部分光的输出孔1320和用于使其余部分光再循环的反射输出表面1310。从LED 1400 输出的光被耦合至渐缩形光导管1100，并且一部分光被反射回LED 1400。一部分光作为光 输出由LED 1400反射(或再循环)回渐缩形光导管1100。图2(b)示出根据要求保护的发明的实施例的再循环系统1000的另一示例，其中， 渐缩形光导管1100的输入端1200大于LED 1400。输入到渐缩形光导管1100的光来自LED 1400。渐缩形光导管1100的输出端1300包括用于透射一部分光的输出孔1320和用于使 其余部分光再循环的输出反射表面1310。输入端1200的剩余区域或反射输入表面1210可 以反射用于使部分光再循环，如图1所示。图2(c)示出根据要求保护的发明的实施例的再循环系统1000的示例，其中，到光 导管1100的输入光来自与光源(例如，双抛物面反射器系统、椭圆系统等)耦合的输入光 导管1500(其可以是直的、渐缩形的、空心的或者实心的，类似于光导管1100)的输出。虽然 未示出，但是要求保护的再循环系统1000可以利用其他光源，包括但不限于LED、微波灯、 由短波长LED或激光器激励的荧光体、或由长波长LED或激光器激励的上转换材料等。现在转到图3，示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的再循环系统2000。 再循环系统2000包括六面光束/光组合器2100和至少两个光导管(标记为LP1和LP2)。 LP1和LP2基本类似于图1中的再循环系统1000的光导管1100。再循环系统2000可以 组合多个光源。在图3中，再循环系统2000的输出是两个光源的组合。每个光源2200都 包括LED 1400 (标记为LED1和LED2)和光导管LP1或LP2。来自LED1 (1400)的光被耦合至 LP1(IlOO)进入光组合器2100。光组合器2100的所有六个面均被抛光，使得表面被用于透 射和全内反射(TIR)。光组合器2100的三角表面MOO也被抛光，使得光组合器2100用作 波导，从而引导来自光导管LPp LP2(IlOO)的光。根据要求保护的发明的示例性实施例，光 束组合器2100的对角线表面2110被涂覆，以提供部分反射/透射表面。对角线表面2110可以被涂覆有图4(a)中所示的部分反射涂层或者图4(b)和图4(c)中所示的空间反射部 分。反射与透射的百分比可以根据应用被最优化用于最大输出。根据要求保护的发明的一 个方面，具有所有六个抛光侧面/面/表面的光束组合器2100用作波导，而不是体光学体 (bulk optics)。LP1(IlOO)输出的尺寸与光束组合器2100的面匹配。来自LP1(IlOO)的部 分光被反射至LP2(IlOO)并且由LED2(HOO)再循环。来自LP2(IlOO)的一部分光被反射至 LP1(IlOO)并且由LED1(HOO)再循环。来自LP1、LP2 (1100)的一部分光作为输出光通过输 出孔2130从再循环系统2000出去，并且其余部分光由端面反射器2120反射回再循环系统 2000。再循环系统2000可以可选地包括用于通过将一部分光输出反射回再循环系统2000， 使一部分光输出再循环的反射表面或反射孔2140。为了另外地促进TIR，根据要求保护的 示例性实施例，再循环系统2000在一个或更多个光学部件之间(诸如，在LP1(IlOO)和光束 组合器2100以及LP2(IlOO)和光束组合器2100之间)包括可选气隙或低折射率胶2300。现在转到图5和图6，根据要求保护的发明的示例性实施例，示出了结合图1的光 导管1100的图3的再循环系统2000。在此将不再描述图1的再循环系统1000以及图3、 图5和图6的再循环系统2000共有的光学部件。在图5中，每个LED 1400 (LED1、LED2)耦 合或覆盖光导管IlOOOiV LP2)的输入端1200的一部分。输入端1200的其余部分被涂覆 有反射涂层，以提供输入反射表面1210。图5的再循环系统2000的输出是两个LED输入的 组合。在图6中，图5中的LED HOOaED1, LED2)用光源代替，包括但不限于来自光导管的 输出、由反射器或透镜聚焦的光灯(弧光灯、微波灯等)等。可替换地，根据要求保护的发 明的示例性实施例，图6的再循环系统的光学部件可以以线性方式放置，如图7中所示。为 了另外促进TIR，根据要求保护的发明的示例性实施例，图5-图7的再循环系统2000在一 个或更多个光学部件之间(诸如，LP1(IlOO)和光束组合器2100以及LP2(IlOO)和光束组 合器2100之间)包括气隙或低折射率胶2300。根据要求保护的发明的示例性实施例，如图8中所示，图6或图7的再循环系统 2000包括至少三个图1的光导管。即，图6或图7的再循环系统2000的端面反射器2120 用图8中的光导管1100代替。图8中的再循环系统2000的输出是三个光源的组合。可以 在输入孔1220处使用的光源可以是LED、来自光导管的输出、来自由LED或激光器激励的荧 光体的输出、或来自LED或激光器所泵浦的上转换材料的输出等。为了另外促进TIR，根据 要求保护的发明的示例性实施例，图8的再循环系统2000在一个或更多个光学部件之间包 括可选气隙或低折射率胶2300。根据要求保护的发明的示例性实施例，图9示出包括至少四个光导管1100和至少 两个光束组合器2100的再循环系统3000。再循环系统3000将来自至少四组光源的输出组 合为单个输出。虽然图9示出了具有两个光束组合器2100的再循环系统3000，但是可以想 到，图9的再循环系统2000可以包括两个或更多光束组合器2100。根据要求保护的发明 的一个方面，两个光束组合器2100的对角线表面2110的方向不同。光束组合器(1)的对 角线表面2110的方向被定向为使光再循环，并且光束组合器O)的对角线表面2110的方 向被定向为输出光。光束组合器2100的三角表面MOO被抛光，使得光束组合器2100用作 波导，从而引导来自四个光导管IlOOOiV LP2、LP3、LP4)的光。为了另外促进TIR，根据要 求保护的发明的示例性实施例，图9的再循环系统3000在一个或更多个光学部件之间(诸 如，LP1(IlOO)和光束组合器(1)以及LP2(IlOO)和光束组合器(1)之间)包括气隙或低折射率胶2300。现在转到图10，示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的包括光束组合器 2100、两个光导管1100以及两个光源4200的再循环系统4000。光源4200是双抛物面反 射器(DPR)灯。第一光源DHUT 0200耦合至第一渐缩形光导管TLP1(IlOO),然后其被耦 合至光导管LP1(IlOO)的输入孔1220。第二光源DHUT 24200耦合至第二渐缩形光导管 TLP2(IlOO),然后其被耦合至光导管LP2(IlOO)的输入孔1220。再循环系统4000中的光导 管1100 (LP1和LP2)以及光束组合器2100的操作类似于图6-图7的再循环系统2000中的 光导管1100 (LP1和LP2)和光束组合器2100。再循环系统4000使用光束组合器2100组合 第二组光源4200与第一组光源4200的输出，以提供单个输出。为了另外促进TIR，根据要 求保护的发明的示例性实施例，图10的再循环系统4000包括一个或更多个光学部件之间 (诸如，LP1(IlOO)和光束组合器2100以及TLP2(IlOO)和LP2(2100)之间)的气隙或低折 射率胶2300。根据要求保护的发明的示例性实施例，如图11所示，要求保护的再循环系统 (2000,3000,4000)的光束组合器2100的输出面或表面2500是具有透射开口或输出孔 2130的反射输出表面2500。根据要求保护的发明的一个方面，输出孔2130的形状、尺寸和
位置可配置成与特定应用的需要匹配。现在转到图12，根据要求保护的发明的示例性实施例，图1的再循环系统1000另 外包括耦合至光导管1110的输出孔1320以提供偏振输出的反射偏振器1600。为了提高效 率，根据要求保护的发明的一个方面，光导管1100的反射输入表面1210可以包括可选波片 1230。根据要求保护的发明的示例性实施例，如图13所示，图7的再循环系统2000另外 包括耦合至光束组合器2100的输出孔2130以提供偏振输出的反射偏振器1600。为了提高 效率，根据要求保护的发明的一个方面，光导管1100的反射输入表面1210可以包括可选波 片1230。图13的再循环系统2000的光束组合器2100将两个独立光源组合到一起，以生成 偏振光的单个输出。现在转到图14、图15(a)_(b)，示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的再 循环系统5000。再循环系统5000包括被配置成与DPR灯或系统4200 —起使用进行再循环 的渐缩形偏振光导管系统5100。渐缩形偏振光导管系统5100包括具有公共表面的两个渐 缩形光导管IlOO(TIiVTLP2),公共表面填充有透明的，优选折射率匹配的胶、环氧树脂或流 体5500。进入渐缩形光导管IlOO(TLP1)的输入光被耦合至渐缩形光导管1100 (TLP2)，并且 作为偏振输出从TLP2出去。一部分输出光由可选反射孔5300反射。图15(b)中示出输出 反射孔的示例，透射开口 5310的形状和尺寸可以根据应用而改变。未使用的偏振光由反射 偏振器MOO反射回DI3R灯4200。渐缩形偏振光导管系统5100的TLP2IlOO包括具有可选 波片5210的反射表面5200，用于将一部分光反射回反射偏振器M00。根据要求保护的发明的示例性实施例，图16的再循环系统6000包括光束组合器 2100和至少两个用作光源的图15的渐缩形偏振光导管系统5100。应该想到，由于图16的 两个渐缩形偏振光导管系统5100的输出被耦合至光束组合器2100，因而图16的渐缩形偏 振光导管系统5100不要求反射偏振器MOO和可选反射孔5300。图16的光束组合器2100 的输出端包括反射偏振器6100和可选反射孔6200，其类似于反射偏振器MOO和具有透射开口 5310的可选反射孔5300。虽然在图16中未示出，但是图16的每个渐缩形偏振光导管 系统5100都可以耦合至DI3R灯4200，如图14所示。再循环系统6000的光束组合器2100 可以将至少两个光源5100组合为单个偏振输出光束。应该想到，再循环系统6000可以使 用一个或更多个光束组合器2100组合多于两个光源5100，类似于图9的循环系统300。LED投影系统快速发展，同时LED的输出增加。普通LED投影系统使用三色LED， 即，红色、绿色和蓝色。来自每个LED的输出被组合为用于时序复用以生成彩色输出图像的 单个输出。三色LED由不同材料制成，并且具有不同温度依存性。为了在屏幕上保持恒定 颜色，反馈控制必然使典型LED投影系统变得昂贵和复杂。使用白色LED的传统照明被认 为颜色较差，同时白色LED不具有足够的红色含量。要求保护的发明克服了在传统照明和投影系统中使用白色LED的这些限制。根 据要求保护的发明的示例性实施例，再循环白色LED投影仪设置有增强的红色。现在转到 图17，示出根据要求保护的发明的示例性实施例的结合再循环系统的投影仪7000。投影仪 7000包括成像器面板7300、投影引擎7100、投影透镜7200以及中继镜7400。投影仪7000 利用由LED 1400发射的光，并且使用再循环系统1000将一部分发射光再循环回LED 1400， 用于增加亮度。虽然图17示出了结合再循环系统1000的投影仪7000，但是应该想到，投影 仪7000可以结合在此论述的任何再循环系统。渐缩形光导管1100的输出通过中继镜7400 和色轮7500耦合至投影引擎7100，使得形成顺序彩色系统。LED 1400可以是白荧光体LED 1400、由LED或激光器泵浦的白荧光体、优选蓝色 或UV。应该想到，LED 1400不限于白色LED，要求保护的发明可以利用彩色LED来提供如在 此所述的彩色增强的LED投影仪。优选地，LED 1400被装配在散热基板1410上。LED 1400 的输出耦合至光导管1100，其可以是空心的或者实心的、渐缩形的或者直的，使得输出可以 被修整用于特定应用。光导管1110位于LED 1400的输出处，并且被对准用于最大耦合效 率。光导管1100的输出端1300的表面的一部分涂覆有反射涂层1310或者使用反射镜或反 射器1310，使得仅光导管1100的输出的一部分通过色轮7500耦合至投影引擎7100。然后， 使用中继镜7400和投影引擎7100将光导管1110的输出投影至成像或成像器面板7300。 然后，在成像面板4300处的最终图像通过投影透镜7200被投影到屏幕(未示出)上。根据要求保护的发明的示例性实施例，光导管1110的输出可以涂覆有仅反射选 择性波长并且透射所有其他波长的光的输出涂层，使得增强期望的色彩。例如，光导管1100 的输出端1300可以被涂覆，以反射蓝光并且透射所有其他颜色的光。即，再循环系统1000 将增强蓝光的再循环，从而增强被透射至投影引擎7100的其他色彩。根据要求保护的发明的示例性实施例，色轮7500包括具有不同颜色(诸如，用于 三色系统的红色、蓝色和绿色，或者红色、绿色、蓝色和无色)的滤光器的两个或更多片段。 因此，彩色投影仪7000利用每个颜色被顺序显示以生成彩色图像的顺序彩色系统。根据要求保护的发明的示例性实施例，LED 1400用DC电流驱动。可替换地，LED 1400可以用与色轮7500同步的变化电流来驱动。例如，LED 1400可以具有不同电流值，作 为色轮7500的哪个彩色片段在光导管1100前面的函数。在特定实施例中，当红色片段在 光导管之前时应用更高电流，使得通过更高电流克服红色的缺乏。根据要求保护的发明的示例性实施例，成像器面板7300可以是数字微镜元件 (DMD)，诸如由德州仪器或其他厂家制造的DMD。根据要求保护的发明的示例性实施例，成像器面板7300可以是硅基液晶(LC0Q面板。图17的再循环系统1000可以包括可选反射偏 振器M00，其位于光导管1100的输出端1300处，使得不想要的偏振光可以被反射回光导管 1100，用于再循环。根据要求保护的发明的示例性实施例，LED 1400的白荧光体可以由通过LED 1400发射的蓝光驱动。在通过再循环系统1000再循环的处理中，再循环的蓝光由LED 1400 的荧光体重复吸收，并且可以被重新发射为绿光和红光。结果，再循环的光具有较低蓝色输 出，更高红色和绿色输出。根据要求保护的发明的示例性实施例，要求更高输出功率的应用，投影仪7000 利用多个LED 1400来驱动单个或更多个荧光体片段，使得发射光可以耦合至再循环系统 1000的光导管1100。应该想到，还可以使用棱镜、光导管和其他类似光学部件(每个均作 为波导)来组合来自多个LED 1400的输出，以在屏幕(未示出)上产生更高输出。例如， 如果棱镜的每个侧面被反射性地抛光以促进TIR，则棱镜可以用作波导。使用来自白荧光体LED的光的益处包括1、白荧光体LED具有较短波长、较大带隙，从而可以在更高结温操作，降低了散热 要求。2、可以使用单个彩色LED，从而消除了复用多个彩色LED的需要。3、色轮是非常好开发的部件并且具有非常长的寿命。4、可以使用标准投影引擎结构，许多厂家都有大量生产这些标准投影引擎的多年 经验。5、多个厂家生产白荧光体LED。6、可以使用多个较小的白荧光体LED获得大发射 区域。发射区域在LED之间不具有雏型模缝隙，这可能降低再循环效率。现在转至图18，根据要求保护的发明的示例性实施例，示出了另外包括用于使光 再循环的再循环反射器8100的LED投影仪8000。再循环反射器8100将一部分LED输出 反射回LED 1400，用于使光再循环。LED1400可以是白色或彩色LED。优选地，再循环反射 器8100是球形的、或环形的、或椭圆反射器，其中，LED被成像返回至其本身。再循环反射 器8100的开口被用作输出孔1320。根据要求保护的发明的一个方面，可以改变开口的尺 寸，以实现再循环的改变量。通过使用具有多于一个透镜7600的采集透镜7600或透镜系 统耦合光输出，并且然后将光输出聚焦到光导管1100中。光导管1100使产生均一强度分 布的光在光导管1100的输出处均勻。LED投影仪8000的其余光学部件类似于图17的LED 投影仪7000。色轮7500可以位于光导管1100的输入或输出端处。根据要求保护的发明的示例性实施例，图19示出利用多于一个LED1400的LED投 影仪8000。再循环投影仪8100将一个LED成像到另一 LED上，增大LED投影仪8000的再 循环效率。图20示出装配在散热基板1410(其可以与LED投影仪8000 —起使用)上的两 个或四个LED1400。在四个LED的情况下，再循环反射器8100将第一 LED成像到关于第一 LED对角地定位的第二 LED上，例如，LED A成像到LED A'，并且LED B'成像到LED B。采 集透镜7600耦合LED 1400的光输出。根据要求保护的发明的示例性实施例，再循环反射器8100可以是实心光学部件， 如图21中所示，诸如包括具有被最优化用于最大输出效率的曲率的部分反射和透射表面 的一块玻璃。位于LED 1400的输出处的实心玻璃8100被对准用于光的最大再循环。实心玻璃8100的输出表面的一部分被涂覆有反射涂层以提供反射表面8110，并且其余部分为 透明的以用作输出孔8120。输出孔8120可以由与反射表面8120相同的连续表面形成，并 且可以被设计成具有不同曲率用于最佳耦合。现在转到图22-图M，根据要求保护的发明的示例性实施例，示出了被配置成没 有光导管1110以降低LED投影仪8000的制造成本的LED投影仪8000。图18的LED投影 仪8000的采集透镜7600用小透镜阵列8200代替。小透镜阵列8200可以是图7中所示的 圆形的，或者是图8中所示的矩形的，并且由多于一个透镜或小透镜制成。小透镜可以被布 置成规则阵列或者可以是任意的，或者可以被设计成用于最大效率和均一性的特定图案。 每个小透镜将LED成像到平面A中的点上(如图22中所示)。应该想到，平面A中的该点 在与光导管1100的输出端或面1300基本相同的位置处。由于平面A中的该点由通过每个 小透镜形成的图像构成，因而整体强度分布可以是均一的。然后，通过成像面板7300、投影 引擎7100以及投影透镜7200，将输出耦合至投影屏幕(未示出)。根据要求保护的发明的 一个方面，小透镜阵列8200可以将正方形LED 1400转换为与多种投影纵横比格式匹配的 矩形输出。通常，输出图案可以是所需要的任何尺寸、形状以及强度分布。根据要求保护的发明的示例性实施例，图25中示出包括光束分离器/组合(BSC) 系统9100(其中，所有表面/面被反射性地抛光，以提高TIR)和两个LED 1400的再循环系 统9000。根据要求保护的发明的一个方面，BSC 9100包括与部分反射界面9120成为整体 的两个三棱镜(所有面/表面均被反射性地抛光，以促进TIR)。部分反射界面9120可以用 部分反射涂层或通过使用具有反射涂层的部分涂覆表面制成。应该想到，反射率可以通过 涂层表面区域的尺寸来控制。例如，部分反射界面9120可以包括反光条9125(示出)或反 光点(未示出)。来自LED 1400的输出被耦合至BSC 9100。来自LED 1400的一部分光被反射至光 导管1100的输出端1300作为输出，一部分光被引导至另一 LED 1400，并且其余部分光被 引导朝向BSC 9100的反射表面。应该想到，BSC 9100用作波导，这是因为所有六个表面均 被抛光，优选地，被反射性地抛光以促进TIR。通常，从LED 1400发射的没有被引导至光导 管1100的输出端作为输出的光将被再循环，并且最终作为输出从光导管100出去。根据特 定应用，来自BSC 9100的输出可以按现在的样子使用或可以进一步耦合通过输出光导管 (未示出)(其可以是直的、渐缩形的、空心的或实心的)。光导管1100和输出光导管(未 示出)可以是规则光导管或者具有部分反射输出表面1610的再循环光导管，并且可以在输 出端1300处另外包括反射偏振器1600以提供用于LCOS、LCD或其他偏振相关系统的偏振 输出。虽然再循环系统9000包括具有BSC 9100的单个波导系统、两个LED1400和光导 管1100，但是再循环系统9000可以被扩展为包括波导网络。根据要求保护的发明的示例性 实施例，图沈示出二 LED再循环系统9000，其中，LED被放置在与波导相同的面板上(光导 管1100、所有面均被抛光(优选地被反射性地抛光以提高TIR)的三棱镜9200以及具有反 射表面9110的BSC 9100)。图27示出三LED再循环系统9000，包括三个LED 1400、两个光 导管1100、具有反射表面9110的两个BSC 9100以及一个三棱镜9200。应该想到，再循环 系统9000不限于一个、两个或三个LED，可以使用波导网络(光导管1100、三棱镜9200以 及BSC 9100) 一起再循环多个LED。
根据要求保护的发明的示例性实施例，图观(a) - (f)示出LED或LED芯片1400的 多种配置。标记LED或LED芯片1400的“C”表示LED芯片1400是彩色芯片，其可以是白 色LED芯片、红色LED芯片、绿色LED芯片、蓝色LED芯片，或任何其他颜色的LED芯片。由 于再循环反射器8100的成像特性，每对LED被成像到彼此上用于再循环，并且优选地，每对 LED为相同颜色。例如，在图^(c)中，成像对CjnC1'为相同颜色，成像对CjPC2'为相 同颜色等。图观&)示出图^(c)的红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)LED版本，其中，成像对 (R, R' )> (B, B')和(G，G')。图观⑷和图观⑴示出LED芯片布置的其他组合。应 该想到，LED芯片的其他组合和配置在要求保护的发明中是可能的并且是可以想到的。注 意，特定LED芯片布置应该取决于要求保护的再循环系统的应用。现在转到图四，示出根据要求保护的发明的示例性实施例的RGB顺序投影系统或 RGB顺序投影仪9500。RGB顺序投影仪9500包括投影引擎7100、成像面板7300、投影透镜 7200、中继镜7400、光导管1100、再循环反射器8100、RGB LED 1400以及小透镜阵列8200。 RGB顺序投影仪9500可以在时间上复用三种颜色，以使用用于像素强度控制的成像面板 7300在屏幕上(未示出)生成彩色图像。RGB LED 1400的输出通过再循环反射器8100再 循环并且使用在此描述的透镜、小透镜阵列和/或透镜阵列8200耦合。应该想到，由于RGB LED1400可以被时分复用，因而不需要并且在图四中未示出色轮7500。根据要求保护的发明的示例性实施例，如图30中所示，光源9600包括装配在散热 基板1410上的LED 1400、再循环反射器8100以及可以被用于普通照明或者被结合到在此 描述的多种投影仪中的光学透镜系统9650。LED 1400可以是单色或多色LED 1400。透镜 系统9650可以被配置成使得光输出可以具有预定发散角。根据要求保护的发明的一个方 面，透镜系统9650可以被配置成使得光输出可以被聚焦到目标上，诸如投影仪9500的光导 管 1100。根据要求保护的发明的示例性实施例，光源9600可以包括可选扩散器9610，其可 以插在透镜系统9650之前或之后，从而允许进一步调节光输出分布。扩散器9650可以是 磨砂玻璃、全息扩散器或者透镜阵列。根据要求保护的发明的示例性实施例，再循环反射器 8100、透镜系统9650以及可选扩散器9610可以用塑料或玻璃模制为单个单元，用于减少部 件并且降低制造成本。根据要求保护的发明的示例性实施例，透镜系统9650可以被配置成准直的，使得 光源9600可以代替具有抛物面反射器的标准灯。根据要求保护的发明的一方面，透镜系统 9650可以被配置为会聚的，使得光源9600可以代替具有椭圆反射器的标准灯。根据要求保 护的发明的一方面，透镜系统9650可以被配置为离散的，使得光源9600可以代替用于普通 聚光灯应用的标准灯。应该想到，透镜系统9650可以另外包括可选扩散器9610，从而允许 进一步调节光输出分布，用于最佳结果。已经描述了本发明，对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离本发明的精神 和范围的情况下可以以多种方式改变本发明。任何和所有这种修改都旨在包括在以下权利 要求的范围内。
权利要求
1.一种用于使光再循环以增加所述光输出的亮度的装置，包括再循环光导管，包括输入端和输出端；其中，所述再循环光导管的所述输入端包括用于从光源和反射输入表面接收输入光的 输入孔；其中，所述再循环光导管的所述输出端包括用于输出来自所述再循环光导管的光的 输出孔，以及用于将朝向所述输出端引导的一部分光反射至所述再循环光导管的所述输入 端的反射输出表面；以及其中，所述输入孔将由所述反射输出表面反射的所述一部分光的一部分透射至所述光 源以被再循环，并且所述反射输入表面将所述一部分光的其余部分反射至所述再循环光导 管的所述输出端，从而通过所述光的再循环增加从所述输出孔出去的所述光的所述亮度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述再循环光导管是以下之一空心直光导管、 空心渐缩形光导管、实心直光导管或实心渐缩形光导管。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输入孔是矩形或圆形形状，并且所述输出孔 是矩形或圆形形状且纵横比是6 9或4 3。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述再循环光导管的所述反射输入表面和所述 反射输出表面中的至少一个包括波片。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源是以下之一耦合至光导管的双抛物面 反射器(DP 灯、白色LED、彩色LED、来自光导管的输出、来自LED或激光器所激励的荧光 体的输出、或由LED或激光器泵浦的上转换材料。
6.根据权利要求1所述的装置，进一步包括至少两个光源、至少两个再循环光导管和 用于组合所述至少两个再循环光导管的输出以提供单个输出光束的六面光束组合器；并且 其中，所述光束组合器的六个侧面中的每个均被抛光以促进全内反射，使得所述光束组合 器用作波导。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述光束组合器包括被涂覆以提供部分反射表 面的对角线表面。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述光束组合器的所述对角线表面包括提供所 述部分反射表面的空间反射部分。
9.根据权利要求6所述的装置，进一步包括在每个再循环光导管和所述光束组合器 之间的气隙或低折射率胶。
10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述光束组合器包括提供单个偏振输出光束 的反射偏振器。
11.根据权利要求6所述的装置，进一步包括至少两个光源、耦合至每个再循环光导 管的所述输入孔的光源；并且其中，每个光源都是耦合至光导管的输入端的双抛物面反射 器(DPR)灯；并且其中，每个光源的所述光导管的输出端均耦合至所述再循环光导管的所 述输入孔。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述光束组合器包括用于反射光的反射输出 表面和用于输出光的输出孔。
13.根据权利要求1所述的装置，进一步包括至少三个光源、至少三个再循环光导管； 并且其中，所述光束组合器组合所述至少三个再循环光导管的输出，以提供所述单个输出光束。
14.根据权利要求1所述的装置，进一步包括至少四个光源、至少四个再循环光导管 和至少两个六面光束组合器；其中，第一光束组合器的所述对角线表面被定向为使光再循 环，并且第二光束组合器的所述对角线表面被定向为输出来自所述装置的光；并且其中，所 述第一光束组合器和所述第二光束组合器的所述对角线表面的定向相互不同。
15.根据权利要求1所述的装置，进一步包括在所述再循环光导管的所述输出端处的 反射偏振器；并且其中，所述再循环光导管包括第一和第二渐缩形光导管，所述第一和第二 渐缩形光导管具有填充有折射率匹配的胶、环氧树脂或流体的公共表面；其中，进入所述第 一渐缩形光导管的所述输入光被耦合至所述第二渐缩形光导管；并且其中，所述反射偏振 器将未使用的偏振光反射回所述光源用于再循环，从而增加所述光输出的所述亮度。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述光源是双抛物面反射器(DPR)灯；并且其 中，所述反射偏振器将未使用的偏振光反射回所述Dra灯用于再循环，从而增加所述光输 出的所述亮度。
17.根据权利要求1所述的装置，进一步包括至少两个光源和在每个再循环光导管的 所述输出端处的反射偏振器；并且其中，每个再循环光导管均包括第一和第二渐缩形光 导管，具有填充有折射率匹配的胶、环氧树脂或流体的公共表面；其中，进入所述第一渐缩 形光导管的所述输入光被耦合到所述第二渐缩形光导管中；并且其中，每个再循环光导管 的所述反射偏振器均将未使用的偏振光反射回相应光源用于再循环，从而增加所述光输出 的所述亮度。
18.—种结合权利要求1所述的装置的LED投影仪，其中，所述光源是耦合至所述再循 环光导管的输入孔的白色LED ；并且进一步包括投影引擎、成像面板、投影透镜、中继镜和 色轮；并且其中，所述再循环光导管的输出通过所述中继镜、所述成像面板和所述色轮耦合 到所述投影引擎中，以通过所述投影透镜将用于投影的顺序彩色图像提供到屏幕上。
19.根据权利要求18所述的LED投影仪，其中，所述成像面板是数字微镜元件(DMD)或 硅基液晶(LCOS)面板。
20.根据权利要求18所述的LED投影仪，进一步包括用于通过将由所述LED发射的 一部分光反射回所述LED来使光再循环的再循环反射器；并且其中，所述再循环反射器包 括用于输出光的输出孔。
21.根据权利要求20所述的LED投影仪，其中，所述LED包括多个单色LED或多色LED； 并且其中，所述再循环反射器将一个LED成像在另一 LED上，从而增加所述再循环效率。
22.根据权利要求20所述的LED投影仪，进一步包括用于将从所述再循环设备的所 述输出孔出去的光聚焦到所述再循环光导管中的采集透镜。
23.—种结合权利要求1所述的装置的LED投影仪，其中，所述光源是RGB LED ；并且进 一步包括投影引擎、成像面板、投影透镜、中继镜、小透镜阵列以及用于通过将由所述RGB LED发射的一部分光反射回所述RGB LED来使光再循环的再循环反射器；并且其中，所述再 循环反射器包括耦合至所述小透镜阵列的用于输出光的输出孔；并且其中，所述再循环光 导管的输出通过所述中继镜、所述成像面板和所述小透镜阵列耦合到所述投影引擎中，以 在时间上复用三种颜色的光，以通过所述投影透镜将用于投影的彩色图像提供到屏幕上。
24.根据权利要求20所述的LED投影仪，其中，所述再循环反射器是具有输出表面的实心光学部件；并且其中，所述再循环反射器的所述输出表面的一部分被涂覆有反射涂层，以 提供反射表面，并且所述再循环反射器的所述输出表面的其余部分是能透射的，以提供所 述输出孔。
25.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源包括多个LED、透镜系统以及用于将来 自每个LED的一部分光反射回所述多个LED并且将其余部分光耦合至所述透镜系统用于输 出的再循环反射器。
26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述透镜系统被配置成输出具有预定发散角 的光。
27.根据权利要求25所述的装置，其中，所述光源包括扩散器，被定位成接收来自所 述再循环反射器的所述其余部分光，或者被定位成接收从所述透镜系统输出的光。
28.根据权利要求1所述的装置，进一步包括至少两个光源，每个光源都是LED ；以及六面光束分离器/组合(BSC)系统，其所有侧面都被反射性地抛光，以提供反射表面并 且促进全内反射(TIR)，使得所述BSC系统用作波导；以及其中，所述BSC系统将来自每个LED的第一部分光反射至所述再循环光导管的所述输 出端作为输出，将来自每个LED的第二部分光反射至其他LED用于再循环，并且来自每个 LED的其余部分光被引导朝向所述BSC系统的反射表面。
29.根据权利要求观所述的装置，其中，所述BSC系统包括部分反射对角线界面。
30.根据权利要求观所述的装置，进一步包括在所述再循环光导管的所述输出端处 的反射偏振器，以提供偏振光输出。
31.根据权利要求观所述的装置，进一步包括多个BSC系统、多个LED以及所有面都 被反射性地抛光以促进TIR的三棱镜。
32.—种LED投影仪，包括用于提供输入光的LED、投影引擎、投影透镜、成像面板、小 透镜阵列、色轮、用于将一部分所述输入光输出至所述小透镜阵列并且将其余部分的所述 输入光反射回所述LED用于再循环的再循环反射器；并且其中，所述小透镜阵列通过所述 色轮、所述中继镜和所述成像面板在时间上将不同颜色光耦合至所述投影引擎，以通过所 述投影透镜将用于投影的顺序彩色图像提供到屏幕上。
33.根据权利要求32所述的LED投影仪，其中，所述小透镜阵列被布置为圆形或者矩形 阵列。
全文摘要
用于使用具有至少一个光源的至少一个再循环光导管增大光输出的亮度的再循环系统和方法。再循环光导管的输出端将第一部分光反射回光源，将第二部分光反射回再循环光导管的输入端，并且发射其余部分光作为输出。再循环系统被结合到投影仪中，以提供亮度增大的彩色投影图像。光源可以是白色LED、彩色LED以及双抛物面反射器(DPR)灯。
文档编号G02F1/1335GK102124397SQ200980131850
公开日2011年7月13日 申请日期2009年8月17日 优先权日2008年8月15日
发明者肯尼思·利 申请人:微阳有限公司