用低扩展光光源为微显示成像器照明的系统和方法

摘要

本发明提供了一种用低扩展光光源为微显示成像器照明的系统和方法。举例而言，提供一种显示设备(10)，包括微显示成像器(40)和光引擎(12)，光引擎(12)包括用于产生低光学扩展量光束(42)的光源(30)和若干个透镜(32、34、36)，这些透镜用于将低光学扩展量光束(42)整形成与微显示成像器(40)的一个或多个尺寸相当的形状。

权利要求

1.一种显示设备(10)，其特征在于，包括：微显示成像器(40)和光引擎(12)；

所述光引擎(12)包括：

光源(30)，用于产生低光学扩展量光束(42)，所述低光学扩展量光束为相对其峰值亮度方向的正向或负向的发散角基本小于50度的光束；

若干个透镜(32，34，36，38)，用于将所述低光学扩展量光束整形成与所述微显示成像器的一个或多个尺寸相当的形状，所述若干个透镜(32，34，36，38)包括：第一透镜(32)，用于作为所述光源(30)的聚焦透镜；

第二透镜(34)用于扩展所述低光学扩展量光束(42)；

第三透镜(36)，用于减缓所述低光学扩展量光束(42)的扩展速度；

第四透镜(38)，用于进一步减缓所述低光学扩展量光束(42)在水平方向上的扩展速度，同时不对所述低光学扩展量光束在垂直方向上的扩展速度产生实质性影响。

2.如权利要求1所述的显示设备(10)，其特征在于：所述光源(30)包括激光二极管。

3.如权利要求1所述的显示设备(10)，其特征在于：所述第二透镜包括平凹透镜。

4.如权利要求1所述的显示设备(10)，其特征在于：所述第三透镜(36)包括平凸圆形透镜，所述第四透镜(38)包括平凸柱面透镜。

5.如权利要求1所述的显示设备(10)，其特征在于：所述微显示成像器(40)包括数字微镜器件。

6.如权利要求1所述的显示设备(10)，其特征在于：所述微显示成像器(40)包括硅基液晶成像器。

7.如权利要求1所述的显示设备(10)，其特征在于：所述光源(30)用于产生椭圆激光光束。

8.一种显示设备(10)，其特征在于，包括：微显示成像器(40)和光引擎(12)；

所述光引擎(12)包括：

光源(30)，用于产生低光学扩展量光束(42)，所述低光学扩展量光束为相对其峰值亮度方向的正向或负向的发散角基本小于50度的光束；

若干个透镜(32，34，36，38)，用于将所述低光学扩展量光束整形成与所述微显示成像器的一个或多个尺寸相当的形状，所述若干个透镜(32，34，36，38)包括：第一透镜(32)，用于作为所述光源(30)的聚焦透镜；

第二透镜(34)用于扩展所述低光学扩展量光束(42)；

第三透镜(36)，用于减缓所述低光学扩展量光束(42)的扩展速度；

第四透镜(38)，用于加快所述低光学扩展量光束(42)在垂直方向上的扩展速度，同时不对所述低光学扩展量光束在水平方向上的扩展速度产生实质性影响。

9.如权利要求8所述的显示设备(10)，其特征在于：所述第三透镜(36)包括平凸圆形透镜，所述第四透镜(38)包括平凹柱面透镜。

10.一种显示设备(10)，其特征在于，包括：微显示成像器(40)和光引擎(12)；

所述光引擎(12)包括：

光源(30)，用于产生低光学扩展量光束(42)，所述低光学扩展量光束为相对其峰值亮度方向的正向或负向的发散角基本小于50度的光束；

若干个透镜(32，34，36，38)，用于将所述低光学扩展量光束整形成与所述微显示成像器的一个或多个尺寸相当的形状，所述若干个透镜(32，34，36，38)包括：第一透镜(32)，用于作为所述光源(30)的聚焦透镜；

第二透镜(34)用于扩展所述低光学扩展量光束(42)；

第三透镜(36)，用于减缓所述低光学扩展量光束在水平方向上的扩展速度，同时不对所述低光学扩展量光束在垂直方向上的扩展速度产生实质性影响；

第四透镜(38)，用于减缓所述低光学扩展量光束(42)在垂直方向上的扩展速度，同时不对所述低光学扩展量光束在水平方向上的扩展速度产生实质性影响。

11.如权利要求10所述的显示设备(10)，其特征在于：所述第三透镜(36)包括第一平凸柱面透镜，所述第四透镜(38)包括第二平凸柱面透镜。

12.一种显示设备(10)，其特征在于，包括：

红光激光二极管(70)，用于将红激光束通过第一聚焦透镜(82)射入分光合路器(88)；

绿光激光二极管(72)，用于将绿激光束通过第二聚焦透镜(84)射入所述分光合路器；

蓝光激光二极管(74)，用于将蓝激光束通过第三聚焦透镜(86)射入所述分光合路器；

所述第一聚焦透镜(82)、第二聚焦透镜(84)、第三聚焦透镜(86)分别用于对所述红、绿、蓝激光束进行聚焦；

与所述分光合路器光耦合的若干个透镜(34，36，38)，所述若干个透镜用于将所述红、绿、蓝激光束整形成与微显示成像器(40)的一个或多个尺寸相当的形状，所述若干个透镜(34，36，38)包括：第二透镜(34)用于扩展所述红、绿、蓝激光束(42)；

第三透镜(36)，用于减缓所述红、绿、蓝激光束(42)的扩展速度；

第四透镜(38)，用于进一步减缓所述红、绿、蓝激光束(42)在水平方向上的扩展速度，同时不对所述红、绿、蓝激光束在垂直方向上的扩展速度产生实质性影响。

13.如权利要求12所述的显示设备(10)，其特征在于：所述红光激光二极管(70)、绿光激光二极管(72)、蓝光激光二极管(74)用于连续产生激光束。

14.如权利要求12所述的显示设备(10)，其特征在于，还包括：微显示成像器，所述微显示成像器包括透射式液晶显示屏。

说明书

用低扩展光光源为微显示成像器照明的系统和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用低扩展光光源为微显示成像器照明的系统和方法，举例而言，本发明可应用于以激光二极管为投影电视机内的微显示成像器照明的技术。

背景技术

[0002] 本部分介绍与本发明说明书和/或权利要求书中所描述技术方案相关的各方面技术内容。讨论这些相关技术有助于提供背景信息，从而更好地理解本发明。 因此，本
部分内容应理解为本发明的技术基础而不是对现有技术的承认。

[0003] 众所周知，电视机或监视器等显示设备通过将色光投射到屏幕上来产生图像。当然将光转换成图像的过程可能非常复杂。 生成图像的技术之一是利用微显示成像器。
微显示成像器通常包括大量微单元或反射镜，这些微单元或反射镜排列成维度与显示设
备的屏幕大致相当的阵列。 当光通过微显示成像器发生投射或反射即可在屏幕上产生图
像。 通过改变传送给每个微单元或反射镜的光能量就可以产生宽范围的亮度变化，而
且通过控制红、蓝、绿光在微显示成像器上的快速重复照射还可以产生宽范围的色彩变
化。

[0004] 可以认为，当微显示成像器得到均匀而有效的照明时，微显示成像系统的功能才能够达到最佳状态。 在传统基于微显示技术的显示设备中，微显示成像器通常由超高
压(UHP，Ultra High Pressure)灯等弧光灯，或者一个或多个发光二极管(LED，Light
Emitting Diodes)提供照明。然而不管是弧光灯还是LED均在宽发射面上以大发散角发射
光线(即，大光学扩展量)，导致传统系统效率低下。

[0005] 为弥补发散角大的缺点，传统系统将来自光源的光会聚到光管或其它中继光学元件上，再由它们将光的一部分会聚到微显示成像器上。 但即便如此，传统系统的效率
仍然不高，因为至少还有以下两方面缺陷：其一，弧光灯或LED产生的很大一部分光并
不在光管的入射角范围内，未能进入光管。这部分光就损失掉了。 未进入光管的这部分
光除了导致光能量损失外还会转化为热量而使显示设备的温度升高。 其二，为能有效控
制来自弧光灯或LED的光(同时也是为了保持系统的光学扩展量)，光管的入射光瞳通常
较小，这就导致一些本来入射角度适合的光因其所处位置不当而损失掉。

[0006] 因此，需要一种可以更有效的为微显示成像器提供均匀照明的技术。

[0007] 发明内容

[0008] 下文通过公开某些实例来进行说明。 需要注意的是，这些实例仅用于提供本发明可能采用的某些表现形式的简明内容，并不用作对本发明保护范围的任何限制。 实际
上，本发明可以包括未在下文陈述的其他实例。

[0009] 本发明提供了一种用低扩展光光源为微显示成像器照明的系统和方法。 举例而言，提供一种显示设备10，包括微显示成像器40和光引擎12，光引擎12包括用于产生
低光学扩展量光束42的光源30和若干个透镜32、34、36、38，这些透镜用于将低光学扩
展量光束42整形成与微显示成像器40的一个或多个尺寸相当的形状。

[0010] 附图说明

[0011] 参照附图，下面给出本发明实例的详细描述以体现本发明的有益效果，附图包括：

[0012] 图1是本发明显示设备的一个实施例的方框示意图；

[0013] 图2是光引擎和微显示成像器的一个实施例的详细框图；

[0014] 图3是图2中光引擎和微显示成像器的一种实施方式的图解；

[0015] 图4是多色光引擎和成像系统的一个实施例的方框示意图。

[0016] 具体实施方式

[0017] 下文对本发明的一个或多个具体实施方式进行说明。 简明起见，在此并未描述实际实施方式的全部内容。 应当理解，在这些实际实施方式的执行中，正如在任何工程
或设计项目中一样，为实现开发方的特定目标(这些目标因实施方式不同而不同，如符
合与系统相关和商业相关的约束等)，必须做出许多具体的决定。而且，执行过程可能复
杂且耗时良久，但尽管如此，对于那些将受益于本发明所公开技术内容的普通技术人员
而言，这仍然只是设计、加工、制 造的例行工作。

[0018] 本发明显示设备的一个实施例的方框示意图如图1所示，该显示设备以标号10表示，采用低扩展光光源为微显示成像器照明。在具体实施中，显示设备10可以是投影
电视机，也可以是视频或电影放映机，还可以采用其他适合的视频或图像显示技术。

[0019] 参见图1，显示设备10包括光引擎12。 下文将参照图2～4对光引擎12进行进一步的详细说明，其用于产生适合为成像系统16内的微显示成像器提供照明的光14。
成像系统16可包括适宜的各种微显示成像系统中的任意一种。 例如，在一种实施方式
中，成像系统16可以是数字光处理(DLP，Digital LightProcessing)成像系统，采用数字
微镜器件(DMD，Digital Micromirror Device)作为微显示成像器。 如所周知，DLP成像
系统通过驱动DMD上的一个或多个微镜产生明暗变化来生成图像或视频。

[0020] 在另一种实施方式中，成像系统16可以是硅基液晶(LCOS，Liquid CrystalOnSilicon)成像系统，采用LCOS微显示成像器。 在其它实施方式中，成像系统16还可以
是高温多晶硅成像系统，采用透射式液晶显示屏(LCD，LiquidCrystal Display)作为微显
示成像器。应当理解，上述给出的成像系统16的例子均不是唯一的，在另外的实施方式
中可采用其他适合的基于微显示技术的成像系统来代替。

[0021] 成像系统16能够生成光学图像18，光学图像18被传送给一个或多个投影透镜20。 如所周知，投影透镜20用于接收光学图像18并将其放大和/或转变为更大的光学
图像22，以适于显示和/或投射到屏幕24上。

[0022] 光引擎12和成像系统16的一个实施例的详细框图如图2所示。 如上所述，光引擎12用于产生适合为成像系统16内的微显示成像器40提供照明的光14。 亦如上所
述，光引擎12可包括低扩展光光源30。 如所周知，低扩展光光源30用于产生低光学扩
展量光束(例如，角分集相对较少的紧聚焦光束)。本文中所称低光学扩展量光束是指相
对其峰值亮度方向的发散角基本小于50度(正或负)的光束。

[0023] 例如，在一种实施方式中，低扩展光光源30可以是激光光源。具体而言， 低扩展光光源30可采用激光二极管(即，能产生相对其峰值亮度方向的发散角小于10度的光
束的光源)。 例如，作为一种实施方式，低扩展光光源30可采用日亚公司的(Nichia)激
TM
光二极管，即通常在蓝光(blue-ray )DVD播放器中使用的激光二极管。 此外，也可使
用其它适合的激光二极管作为低扩展光光源30。 而且，在其它实施方式中，也可使用其
它适合的激光发生系统或低光学扩展量发光系统作为低扩展光光源30。

[0024] 如图2所示，光引擎12还包括四个透镜：透镜A 32、透镜B 34、透镜C 36和透镜D 38。 正如下文所述，使用透镜32、34、36和38中的一个或多个可为成像系统16
内的微显示成像器提供均匀而有效的照明。

[0025] 图2还示出了低扩展光光源30与透镜A 32间的距离D1，透镜A 32与透镜B34间的距离D2，透镜B 34与透镜C 36间的距离D3，透镜C 36与透镜D 38间的距离D4，
以及透镜D 38与微显示成像器40间的距离D5。此外，图2还示出了低扩展光光源30产
生的光束42，该光束在穿过透镜A 32后成为光束44，在穿过透镜B 34后成为光束46，
在穿过透镜C 36后成为光束48，在穿过透镜D 38后成为光束14。

[0026] 如上所述，光引擎12用于产生可为微显示成像器40提供均匀照明的光束14，光束14由低扩展光光源30产生的低光学扩展量光束42演变而来。 具体而言，如下文详
述，透镜32-38中的一个或多个可控制低光学扩展量光束42在水平和/或垂直方向上的
扩展速度，从而产生可为微显示成像器40提供均匀照明的光束14。亦如下文详述，在一
种实施方式中，透镜32-38中的一个或多个可组合成柱面透镜。

[0027] 例如，图3是光引擎12和微显示成像器40的一种实施方式的图解。简明起见，图3和图2中相同的功能部件使用相同的附图标记。 可以认为，图3给出的是图2中部
件的一种实施方式。

[0028] 在图3所示实施方式中，低扩展光光源30采用可输出椭圆光束的激光二极管，如Nichia激光二极管。 举例说明，低扩展光光源40产生的低光学扩展量光束42的椭圆
形输出形状约为22度×7度(即，与峰值亮度方向的发散角约为22度的光学扩展量)。
应当理解，这些形状尺寸仅是示例性的，在其他实施方式 中，可使用其它适合的光束形
状尺寸，包括非椭圆光束。

[0029] 如图所示，低光学扩展量光束42射入透镜A 32，透镜A 32可作为低扩展光光TM
源30的聚焦透镜。 例如，在一种实施方式中，透镜A 32可采用GELTECH 公司的
TM
350230-A非球面透镜，该非球面透镜由Thorlabs 公司装配为其产品C230TM-A。 当
然，其它适合的透镜也可用作透镜A 32。 并且由于透镜A 32用作低扩展光光源30的聚
焦透镜，其当然可以与低扩展光光源30结合使用或组合在一起销售。

[0030] 光束42经过透镜A 32后(此时变为光束44)到达透镜B 34。 参见图3所示实施方式，透镜B 34可采用凹透镜，用作光束扩展器，开始将光束44逐步以一般圆对称
方式进行扩展。 例如，在一种实施方式中，透镜B 34可以是爱特蒙特光学公司(EIO，
Edmond Industrial Optics)的45383平凹透镜。 当然在其他实施方式中，也可使用其它适
合的透镜。

[0031] 经透镜B 34对称扩展后的光束46到达透镜C 36。参见图3所示实施方式，透镜C 36可采用平凸圆形透镜，用来按照扩展目标要求减缓光束46的扩展速度。换言之，透
镜C 36可根据微显示成像器40的尺寸“设定”光束46的扩展速度，这样，当光束到达
微显示成像器40时，其在垂直方向上的尺寸将与微显示成像器40的垂直尺寸相当。 在
一种实施方式中，透镜C 36可采用爱特蒙特光学公司的45224平凸透镜。

[0032] 穿过透镜C 36后的光束48到达透镜D 38。 透镜D 38可按照微显示成像器40水平方向上的尺寸来减缓光束48在水平方向上的扩展速度。 换言之，透镜D 38可“设
定”(例如，利用自身形状来限制)光束48在水平方向的尺寸，光束48在到达透镜D 38
前在水平方向上持续扩展。在一种实施方式中，透镜D 38可采用平凸柱面透镜，如爱特
蒙特光学公司的45981平凸柱面透镜。

[0033] 经扩展后，光束14在水平方向和垂直方向上的尺寸与微显示成像器40的相应尺寸相当，被投射到微显示成像器40上。 如所周知，按照上述过程对低扩展光光源30产
生的低光学扩展量光束42进行扩展和整形需要仔细选择透镜32-38以及间距D1、D2、
D3、D4和D5，以平衡低光学扩展量光束42的扩展量和形状。下文将详细描述这样的例
子。 应该理解，下面紧接的以及后续给出的各个具体 的例子都不是唯一的，其他适合的
透镜类型以及间距均可以被采用。 并且，本文所给出的实施方式均使用现成的光学器件
(例如，透镜)。因此应该理解，在其他一些可能更有效率的实现方式中，可使用自选光
学器件。

[0034] 如上所述，作为一个具体的例子，所使用的透镜和间距如下表1所示。

[0035] 表1

[0036]透镜A GELTECHTM 350230-A，非球面透镜
透镜B EIO 45383，平凹透镜，焦距27mm，直径9mm
透镜C EIO 45224，平凸透镜，焦距4mm，直径4mm
透镜D EIO 45981，平凸柱面透镜，焦距8mm，直径5mm
D1 2.309mm
D2 65.140mm
D3 3.893mm
D4 28.976mm
D5 149.403mm

[0037] 使用表1所列透镜和间距对光引擎12进行仿真得到的结果为：低扩展光光源30所产生光能量的52.63％照射到微显示成像器40上，微显示成像器上的最小亮度为最大亮
度的69.88％，平均亮度为最大亮度的91.53％。

[0038] 回到图2，在另一种实施方式中，透镜32和34的功能与上述大致相同，但透镜36和38则不同，因此其功能也不同。例如，在此替代实施方式中，透镜C36可采用平凸
圆透镜，用于减缓光束46的扩展速度，透镜D 38可采用平凹柱面透镜，用于加快光束48
在垂直方向的扩展速度。 换言之，透镜36和38采用先减缓光束在水平和垂直(通过透
镜36)方向上的扩展速度，然后加快其在垂直方向上的扩展速度(通过透镜38)的方式，
对射向微显示成像器40的光束波前进行整形，以获得与微显示成像器40相应的形状和尺
寸。

[0039] 上述实施方式的一个具体例子所使用的透镜和间距如下表2所示。

[0040] 表2

[0041]透镜A GELTECHTM 350230-A，非球面透镜
透镜B EIO 45383，平凹透镜，焦距27mm，直径9mm
透镜C EIO 45078，平凸透镜，焦距6mm，直径6mm
透镜D EIO 46191，平凹柱面透镜，焦距-6.25mm，直径6.25mm
D1 2.145mm
D2 32.442mm
D3 5.920mm
D4 8.190mm
D5 49.058mm

[0042] 使用表2所给例子进行仿真，结果为：低扩展光光源30所产生光能量的60.74％照射到微显示成像器40上，微显示成像器上的最小亮度为最大亮度的76.49％，平均亮度
为最大亮度的96.20％。相较而言，表2所给例子使低扩展光光源所产生光束的光程更短
(约10厘米)，但其所用光学部件的尺寸大于表1所给例子。

[0043] 在又一种实施方式中，透镜C 36可采用平凸柱面透镜，用于减缓光束46在水平方向上的扩展速度，而透镜D 38可采用另一个平凸柱面透镜(取向相反)，用于减缓光束
48在垂直方向上的扩展速度。 换言之，透镜C 36可用于“设定”水平扩展率，而透镜
D 38可用于独立“设定”垂直扩展率。 在又一种实施方式中，透镜C 36可用于减缓垂
直扩展率，而透镜D 38可用于减缓水平扩展率。

[0044] 上述实施方式的一个具体例子所使用的透镜和间距如下表3所示。

[0045] 表3

[0046]透镜A GELTECHTM 350230-A，非球面透镜
透镜B EIO 45383，平凹透镜，焦距27mm，直径9mm
透镜C EIO 46015，平凸柱面透镜，焦距25mm，直径25mm
透镜D EIO 46016，平凸柱面透镜，焦距50mm，直径25mm
D1 2.045mm

[0047]D2 41.019mm
D3 32.325mm
D4 63.473mm
D5 203.72mm

[0048] 使用表3所给例子进行仿真，结果为：低扩展光光源30所产生光能量的59.88％照射到微显示成像器40上，微显示成像器40上的最小亮度为最大亮度的74.02％，平均
亮度为最大亮度的97.62％。

[0049] 再回到图2，在其它实施方式中，可以从光引擎12中省略掉透镜D 38。 相较而言，从光引擎12中省略掉透镜D 38可降低光引擎12的成本，同时仍能够为微显示成像
器40提供有效照明。在取消透镜D 38的实施方式中，可使用透镜B34来减缓光束44在
水平方向或垂直方向上的扩展率，或两个方向同时减缓。而后，透镜C 36通过适当减缓
或加快光束46在水平方向或垂直方向上的扩展速度设定投射到微显示成像器40上的光束
形状。 使用三个透镜的光引擎12的一个或多个具体例子如下表4所示。 此外，表4还
包括了每个具体例子的仿真结果。

[0050] 表4

[0051]透镜B 透镜C D1 (mm) D2 (mm) D3 (mm) D4 (mm) ％ 照射 ％ 最小 ％ 平均
EI O Oriel仪 器 公 司 2.145 6 2 451 62％ 60％ 82％
45029 (OR)44005
EI O OR 44005 2.141 25 0 335 58％ 52％ 80％
45383
EI O OR 44005 1.900 21 0 446 48％ 71％ 96％
45027
EI O OR 44005 2.196 29 0 86 58％ 78％ 93％
45007

[0052] 如上所述，图2给出了使用光源30发出的低光学扩展量光束为微显示成像器40提供照明的光引擎12。为便于说明，图2(以及图3)中仅示出了一个低扩展光光源。然
而，如所周知，能够生成彩色视频图像的基于微显示技术的成像系统16，可使用快速重
复的红、蓝和绿连续光束。

[0053] 因此，图4给出了可产生快速重复的红、蓝和绿连续光束的光引擎12的方框示意图。 图4所示光引擎12可采用与上述实施方式(当然也包括其它适用的实施方式)之
一中功能相同的一个或多个透镜34-38。 此外，多色光引擎12还可包括一个低光学扩展
量红光光源70，一个低光学扩展量绿光光源72，和一个低光学扩展量蓝光光源74。 例
如，在一种实施方式中，多色光引擎12可包括红、绿、蓝激光二极管。

[0054] 光源70、72和74可产生连续的低光学扩展量红、绿、蓝光束。 例如，低光学扩展量红光光源70可用于在第一时段产生低光学扩展量红光光束76，低光学扩展量绿光
光源72可用于在第二时段产生低光学扩展量绿光光束78，而低光学扩展量蓝光光源74可
用于在第三时段产生低光学扩展量蓝光光束80。

[0055] 低光学扩展量光束76、78和80分别射向各自的聚焦透镜82、84和86。具体而言，红光光束76射向聚焦透镜82，绿光光束78射向聚焦透镜84，蓝光光束80射向聚焦
透镜86。 聚焦透镜82、84和86可对光束76、78和80进行聚焦。

[0056] 穿过聚焦透镜82、84和86后，光束76、78和80可通过分光合路器88(如X-cube棱镜)暂时合并在一起。如所周知，分光合路器88可用于接收低光学扩展量光束
78、80和82，然后将它们沿相同路径导向透镜B 34以及后续的透镜36和38(若使用)。
这样，通过快速重复低光学扩展量红、绿、蓝连续光束(如，每秒60次)，多色光引擎
12就能够使用连续变化的红、绿、蓝光束为成像系统16内的微显示成像器40提供照明，
以产生彩色视频图像。

[0057] 尽管本发明允许有各种修改和替代形式，但其具体实施方式已通过实例示于简图内并在此进行详细说明。 应当理解，本发明并非有意受限于这些公开的具体形式。相
反，本发明旨在覆盖落入由所附权利要求确定的本发明思想和保护范围中的所有修改、
等同物和替代物。