專利名稱：使用公共構(gòu)建塊的光引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于圖像投影系統(tǒng)的光組合器，更具體地，涉及用于沿共同的輸出光路引導(dǎo)彩色光源的多棱鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
各種類型的影像投影系統(tǒng)在如今普遍使用。例如數(shù)字光處理器(DLP)或硅基液晶(LCOS)裝置的成像裝置由根據(jù)視頻圖像的瞬態(tài)巾貞(instantaneous frame)的光照明，并選擇性地調(diào)節(jié)所述光。為了將這種投影儀的尺寸、重量和成本保持至某一最低限度，影像投影系統(tǒng)在生成彩色圖像時(shí)，通常僅使用單個(gè)成像裝置。所述裝置由圖像的紅色、緑色和藍(lán)色部 分依次照明。這種操作模式被稱為色序法(field-sequential color)。用于這種類型彩色影像投影儀的照明源或光引擎包括在視頻幀的合適部分期間分別打開的單獨(dú)的紅、綠和藍(lán)色光源。為了使用単獨(dú)的圖像形成裝置，単獨(dú)的色彩必須沿通向裝置的相同光路照明圖像裝置。在ー塊公共基板上使用紅色、緑色和藍(lán)色光發(fā)光二極管(LEDs)的光引擎通常具有效率和/或顔色均勻性問題。例如，単獨(dú)的LED切塊會(huì)難以相對(duì)于準(zhǔn)直光學(xué)裝置(collimating optics)而位于最佳的位置。使用針對(duì)姆個(gè)顏色光的獨(dú)立定位源的已知光引擎通常使用分色鏡將獨(dú)立源的光輸出組合起來。已知的鏡系統(tǒng)大而昂貴，并且不可能將它們有效地整合在緊湊型、低成本光引擎中。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面提供了ー種用于對(duì)齊第一顔色范圍、第二顔色范圍和第三顔色范圍的光的光引擎。第一和第二五棱鏡元件每ー個(gè)都具有實(shí)質(zhì)上矩形的基部和實(shí)質(zhì)上三棱柱部分，其中每個(gè)三棱柱部分具有第一和第二對(duì)角線曲面。每個(gè)第一對(duì)角線曲面具有用于在第一顏色范圍內(nèi)反射光以及在第二和第三顏色范圍內(nèi)透射光的第一分色處理。每個(gè)第二對(duì)角線曲面具有用于在第二顔色范圍內(nèi)反射光以及在第一和第三顔色范圍內(nèi)透射光的第二分色處理。第三五棱鏡元件具有實(shí)質(zhì)上矩形的基部以及具有第一和第二對(duì)角線曲面的實(shí)質(zhì)上三棱柱部分，其中每個(gè)對(duì)角線曲面在第三顔色范圍內(nèi)透射光。設(shè)置棱鏡元件使它們的棱柱部分相鄰接，由此第一棱鏡元件的第一對(duì)角線曲面與第三棱鏡元件的ー個(gè)對(duì)角線曲面并列，第二棱鏡元件的第二對(duì)角線曲面與第三棱鏡元件的另ー個(gè)對(duì)角線曲面并列。具有在第一顔色范圍內(nèi)的第一光束的第一光源設(shè)置為引導(dǎo)第一光束穿過第一棱鏡元件的基部進(jìn)入其棱鏡部分。具有在第二顔色范圍內(nèi)的第二光束的第二光源設(shè)置為引導(dǎo)第二光束穿過第二棱鏡元件的基部進(jìn)入其棱鏡部分。具有在第三光束為第三顔色范圍內(nèi)的第三光束的第三光源設(shè)置為引導(dǎo)第三光束穿過第三棱鏡元件的基部進(jìn)入其棱鏡部分。第一光束被第一棱鏡元件和第二棱鏡元件的第一對(duì)角線曲面實(shí)質(zhì)上以直角反射。第二光束被第一棱鏡元件和第二棱鏡元件的第二對(duì)角線曲面實(shí)質(zhì)上以直角反射。第三光束實(shí)質(zhì)上無反射地穿過第一、第二和第三棱鏡兀件，以產(chǎn)生共同的輸出光路。
圖I是使用來自有色源的組合光的成像系統(tǒng)的框圖。圖2是本發(fā)明棱鏡組件的優(yōu)選實(shí)施例的透視圖。圖3是圖2的棱鏡組件的分解圖。圖4是表示棱鏡元件的對(duì)角線曲面的透視圖。圖5是表示棱鏡元件的準(zhǔn)直表面的透視圖。 圖6是表示紅色光的反射路徑的棱鏡元件的局部分解圖。圖7是表示藍(lán)色光的反射路徑的棱鏡元件的局部分解圖。圖8是表示緑色光的反射路徑的棱鏡元件的局部分解圖。圖9是具有根據(jù)本發(fā)明光引擎的圖像投影系統(tǒng)實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明使用微光學(xué)、模制塑料導(dǎo)光管和分色表面或涂層來提供緊湊型、低成本、有效率的光引擎。在一個(gè)實(shí)施例中，將具有朗柏發(fā)射模式(Lambertian emission patterns)的分離的紅色、緑色和藍(lán)色LEDs用作紅色、緑色和藍(lán)色光源。來自每個(gè)LED的光在最接近LED的ー側(cè)的具有微光學(xué)準(zhǔn)直模式的単獨(dú)模制塑料部件中被準(zhǔn)直。在塑料部件另ー側(cè)的棱鏡表面具有最佳的反射角，并設(shè)有分色表面，所述分色表面具有調(diào)整的以適應(yīng)來自LED光源的顔色的傳播和反射性能。這些棱鏡元件用收集器/漫射器收在一起，所述收集器/漫射器也是模制塑料部件，具有模制到所述部件中的光學(xué)微結(jié)構(gòu)，用于將出射光束漫射至期望的 f 數(shù)(f number)。通過適當(dāng)?shù)剡x擇LEDs的分色性能和設(shè)置，本發(fā)明針對(duì)用于接收來自各個(gè)LED的光的模制塑料棱鏡使用公共構(gòu)建塊(building block)。為了節(jié)約規(guī)模，具有針對(duì)三個(gè)顏色中僅兩個(gè)顏色進(jìn)行分色處理的同化部件可用于光學(xué)裝置的所有三個(gè)準(zhǔn)直/反射功能。在這樣的實(shí)施例中，某些分色表面不執(zhí)行有用的功能，但它們也不干渉有色光的期望傳播?？蛇x擇地，可以使用激光源代替LEDs。使用激光源可以不需要針對(duì)每個(gè)棱鏡元件上的入射光束的微光學(xué)準(zhǔn)直模式。此外，還可使用具有除了朗伯發(fā)射型以外的LEDs?，F(xiàn)在參考圖1，組合器光學(xué)裝置10接收來自獨(dú)立的紅色、緑色和藍(lán)色源的光。光學(xué)裝置10生成被引導(dǎo)進(jìn)入成像器12的単獨(dú)光輸出路徑11。共同的路徑使得成像器12獨(dú)立處理每個(gè)視頻幀的不同的紅色、緑色和藍(lán)色部分?？蛇x擇地，如果期望沿著共同光路生成白色光輸出，所述光源可同時(shí)被照明。圖2表示了利用公共構(gòu)建塊針對(duì)光引擎實(shí)現(xiàn)低成本、緊湊型組合器的棱鏡組件
15。第一、第二和第三五棱鏡兀件16、17和18從各彩色光源接收光。各棱鏡兀件16至18在它們的光輸入表面上可優(yōu)選包括微光學(xué)準(zhǔn)直表面處理21。兀件16至18的光輸出表面沿著漫射元件20的輸入表面在組件15內(nèi)部連接在一起。元件20的輸出表面可優(yōu)選包括微光學(xué)漫射表面22，以在出射光束的輸出上提供顏色強(qiáng)度的均勻性。圖3表示了組件分解狀態(tài)的棱鏡元件。所述元件具有彼此相鄰以形成交叉的對(duì)角線曲面。至少元件16和18的對(duì)角線曲面設(shè)有分色表面。因此，元件16具有對(duì)角線曲面16a和16b，其帶有用于在具體顏色范圍內(nèi)反射光的分色表面處理。元件18具有對(duì)角線曲面18a和18b，其中每個(gè)帶有用于在相同的兩個(gè)顏色范圍內(nèi)反射光的分色表面處理。棱鏡元件17具有對(duì)角線曲面17a和17b，所述曲面可包括相同的分色表面處理以減少用于制備光引擎的部件總數(shù)，或者可選擇地，可不包括任何分色處理。在圖4中顯示了単獨(dú)的五棱鏡元件25，其包括矩形的基部26和三棱柱部分27。優(yōu)選地，使用具有優(yōu)良光學(xué)性能的已知塑料材料將基部26和三棱柱部分27整合形成為模制塑料組件。盡管基部26顯示為具有穿過基部26至棱柱部分27的光路的一定厚度的矩形，提供這樣的厚度并不是必要的。因此，本發(fā)明包括可以僅由三棱柱部分27的底面組成的基部。棱柱部分27具有第一對(duì)角線曲面28和第二對(duì)角線曲面29。對(duì)角線曲面28具有用于在第一顔色范圍(本實(shí)施例中為紅色)內(nèi)反射光同時(shí)在兩個(gè)其它顔色范圍內(nèi)(即綠色 和藍(lán)色)透射光的第一分色處理。第二對(duì)角線曲面29具有用于在藍(lán)色范圍內(nèi)反射光和在紅色和緑色范圍內(nèi)透射光的第二分色處理。如圖5中所示，基部26的入射面30可優(yōu)選包括準(zhǔn)直表面處理31。已知的微光學(xué)表面類型可以在模制棱鏡兀件時(shí)由模具生成,或者可以在使用已知的圖形技術(shù)之后施加。本領(lǐng)域已知當(dāng)透射其它顏色時(shí)用于反射預(yù)定顏色光的分色涂層。例如參見專利號(hào)為7，508，591、2009年3月24日授權(quán)給皮尼奧(Pinho)的美國(guó)專利。顏色分色涂層可以例如從列支敦士登的Optics Balzers AG公司獲得。優(yōu)選紅色和藍(lán)色分色鏡，因?yàn)樗?jiǎn)化了棱鏡元件以最小衰減穿過中間波長(zhǎng)(即綠色)的剩余顏色的能力，這是由于它位于兩個(gè)分色處理的通帯。當(dāng)組裝成光引擎時(shí)，在對(duì)立的橫向側(cè)的棱鏡元件用于輸入紅色和藍(lán)色光，并以共同的方向反射。因此，針對(duì)兩個(gè)元件使用具有一個(gè)紅色反射和一個(gè)藍(lán)色反射分色表面的相同模制部件，但ー個(gè)元件相對(duì)于另ー個(gè)垂直翻轉(zhuǎn)，由此它們的紅色反射表面共面，并且它們的藍(lán)色反射表面共面。圖6闡明了通過棱鏡元件獲得的紅色光反射。紅色LED 36照亮棱鏡元件16的基部。紅色光經(jīng)過基部進(jìn)入三棱柱部分，并且在元件16的第一對(duì)角線曲面由第一分色處理(反射紅色)以直角反射。紅色光通過元件16的第二對(duì)角線曲面穿出，沒有被反射，因?yàn)榈讠藢?duì)角線曲面上的分色處理反射藍(lán)色光井透射紅色光。然而，穿過的光之后遇上帯有其紅色反射性分色處理的棱鏡元件18的第一對(duì)角線曲面。因此，所有的紅色光以最佳角度(即直角)反射至輸出光路。棱鏡元件20沒有顯示在圖6中，但它通常是存在的，為的是向輸出光路提供期望的漫射和f 數(shù)。在圖6中，棱鏡元件17顯示遠(yuǎn)離其它棱鏡元件以較好地照明光反射表面，但它優(yōu)選I鄰接其它的棱鏡元件。圖7顯示了照明棱鏡元件18基部的藍(lán)色光源38、以及最終在共同光輸出路徑上的藍(lán)色光反射。圖8顯示了由緑色光源37產(chǎn)生的穿過棱鏡元件17、16和18的緑色光的光輸出路徑。由于紅色和藍(lán)色分色處理不會(huì)影響綠色光，同化部件可用于元件17而不影響光輸出。可選擇地，可使用在對(duì)角線曲面上沒有任何處理的棱鏡元件17。這會(huì)導(dǎo)致部件總數(shù)增カロ,但會(huì)節(jié)約表面處理的成本。圖9顯示了電路板40，其具有安裝其上的用于影像投影系統(tǒng)的組件。紅色LED41、綠色LED42和藍(lán)色LED43分別照明棱鏡元件44、45和46。元件44至46的對(duì)角線曲面各自具有用于如前述反射紅色和藍(lán)色范圍的分色處理。漫射元件47具有顏色漫射或混合表面48，以便光引擎提供被引向角隅棱鏡51的共同輸出光路50，所述角隅棱鏡帶有使來自光引擎的光改變方向至成像器53的內(nèi)部表面52。成像器53包括背襯鏡(backing mirror)并 連接至控制器54。成像器53可包含像素化的IXD裝置，該裝置用于根據(jù)將要投影的圖像幀的相應(yīng)部分選擇性地減弱紅色、緑色和藍(lán)色光。形成的圖像返回至角隅棱鏡51并穿過角隅棱鏡51至投影透鏡55。
權(quán)利要求
1.用于對(duì)齊第一顔色范圍、第二顔色范圍和第三顔色范圍內(nèi)的光的光引擎裝置，其特征在于，包含 各自具有實(shí)質(zhì)上矩形的基部和實(shí)質(zhì)上三棱柱部分的第一和第二五棱鏡元件，其中每個(gè)棱鏡部分具有第一和第二對(duì)角線曲面，其中每個(gè)第一對(duì)角線曲面具有用于在第一顏色范圍內(nèi)反射光并且在第二和第三顏色范圍內(nèi)透射光的第一分色處理，其中每個(gè)第二對(duì)角線曲面具有用于在第二顔色范圍內(nèi)反射光并且在第一和第三顔色范圍內(nèi)透射光的第二分色處理； 具有實(shí)質(zhì)上矩形的基部并且具有第一和第二對(duì)角線曲面的實(shí)質(zhì)上三棱鏡部分的第三五棱鏡元件，其中每個(gè)對(duì)角線曲面透射第三顔色范圍內(nèi)的光，其中所述棱鏡元件設(shè)置為使它們的棱柱部分相鄰接，由此第一棱鏡元件的第一對(duì)角線曲面與第三棱鏡元件的ー個(gè)對(duì)角線曲面并列，第二棱鏡元件的第二對(duì)角線曲面與第三棱鏡元件的另ー個(gè)對(duì)角線曲面并列； 具有在第一顔色范圍內(nèi)的第一光束的第一光源，其設(shè)置為引導(dǎo)第一光束穿過第一棱鏡元件的基部進(jìn)入其棱鏡部分； 具有在第二顔色范圍內(nèi)的第二光束的第二光源，其設(shè)置為引導(dǎo)第二光束穿過第二棱鏡元件的基部進(jìn)入其棱鏡部分；以及 具有在第三顔色范圍內(nèi)的第三光束的第三光源，其設(shè)置為引導(dǎo)第三光束穿過第三棱鏡元件的基部進(jìn)入其棱鏡部分； 其中第一光束被第一棱鏡元件和第二棱鏡元件的第一對(duì)角線曲面實(shí)質(zhì)上以直角反射，其中第二光束被第一棱鏡元件和第二棱鏡元件的第二對(duì)角線曲面實(shí)質(zhì)上以直角反射，以及其中第三光束實(shí)質(zhì)上無反射地穿過第一、第二和第三棱鏡元件，以產(chǎn)生共同的輸出光路。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，每個(gè)基部具有準(zhǔn)直表面處理。
3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在干，進(jìn)ー步包含 具有實(shí)質(zhì)上矩形的基部和實(shí)質(zhì)上三棱柱部分的第四五棱鏡元件，所述三棱柱部分的第一和第二對(duì)角線曲面鄰接第一棱鏡元件的第二對(duì)角線曲面以及第二棱鏡元件的第一對(duì)角線曲面，其中第四棱鏡元件的基部具有顏色漫射表面處理。
4.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，第三棱鏡元件具有在其第一對(duì)角線曲面上的第一分色處理、和在其第二對(duì)角線曲面上的第二分色處理，由此第一、第二和第三棱鏡元件實(shí)質(zhì)上是相同的組件。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在干，每個(gè)基部具有準(zhǔn)直表面處理。
6.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，每個(gè)五棱鏡元件的基部和三棱柱部分整合形成模制塑料組件。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在干，每個(gè)分色處理由各自的分色涂層構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，第一、第二和第三光源每個(gè)都由LED構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，第一、第二和第三光源每個(gè)都由激光源構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，其中第一顏色范圍的特征是藍(lán)色光，其中第二顏色范圍的特征是紅色光，以及其中第三顏色范圍的特征是綠色光。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用三個(gè)五棱鏡元件將第一、第二和第三顏色范圍的光組合起來的光引擎。每個(gè)棱鏡具有第一和第二對(duì)角線曲面。每個(gè)第一對(duì)角線曲面具有第一分色處理，每個(gè)第二對(duì)角線曲面具有第二分色處理。所述棱鏡設(shè)置為第一棱鏡的第一對(duì)角線曲面與第三棱鏡的一個(gè)對(duì)角線曲面并列，以及第二棱鏡的第二對(duì)角線曲面與第三棱鏡的另一對(duì)角線曲面并列。第一顏色的第一光束由第一對(duì)角線曲面以直角反射，第二光束由第二對(duì)角線曲面以直角反射。第三顏色的第三光束不反射地穿過曲面，以生成組合的光束或共同的輸出光路。
文檔編號(hào)G02B27/10GK102654723SQ20121005224
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者唐納德·P·比爾格, 馬亨德拉·S·達(dá)森納亞克 申請(qǐng)人:福特全球技術(shù)公司