LED光整形装置和照明系统

1.一个光整形透镜，光整形透镜被设计成使光源发出的光整形，光整形透镜包括：
第一折射透镜表面，其被设计成接收从光源发出的第一部分光；
第二折射透镜表面，其被设计成接收从光源发出的第二部分光；
一个反射透镜表面，其被设计成反射至少部分由第一折射透镜表面和第二折射透镜表面接收到的光；和
第三折射透镜表面，其被设计成发出从第一折射透镜表面和第二折射透镜表面接收的以及由反射透镜表面反射的光，第三折射透镜表面有第一曲率和第二曲率，其中第三折射透镜表面将发出的光折射成一个椭圆形截面。
2.根据权利要求1所述的光整形透镜，其中光出射表面是自由曲面。
3.根据权利要求1所述的光整形透镜，其中第一曲率通常正交于第二曲率。
4.根据权利要求1所述的光整形透镜，其中第一曲率有第一曲度，而第二曲率有第二曲度，且第一曲度不等于第二曲度。
5.根据权利要求1所述的光整形透镜，其中反射透镜表面是一个全内反射表面。
6.根据权利要求1所述的光整形透镜，还包括一个显示器件，且其中光源是一个或多个发光二极管（LED），而显示器件被安排成接收从光整形透镜发出的光。
7.根据权利要求6所述的光整形透镜，其中一个或多个LED是RGBLED。
8.根据权利要求6所述的光整形透镜，其中一个或多个LED是白色LED。
9.根据权利要求6所述的光整形透镜，其中显示器件是一个液晶硅基显示器件。
10.根据权利要求6所述的光整形透镜，其中显示器件是一个液晶显示器件。
11.根据权利要求6所述的光整形透镜，其中显示器件是一个数字微镜器件。
12.根据权利要求6所述的光整形透镜，其中显示器件是一个空间光调制器件。
13.一种照明系统，包括：
一个光源，被设计成发出光；
一个显示器件；
一个光整形透镜，具有第一折射透镜表面，其被设计成接收从光源发出的第一部分光；
第二折射透镜表面，其被设计成接收从光源发出的第二部分光；一个反射透镜表面，其被设计成反射至少部分由第一折射透镜表面和第二折射透镜表面接收的光；第三折射透镜表面，其具有第一方向上的第一曲率和第二方向上的第二曲率，其中第三折射透镜表面被设计成发出由第一折射透镜表面和第二折射透镜表面接收的和由反射透镜表面反射的光，且其中第一曲率和第二曲率被设计成使从第三折射透镜表面发出的光整形，使得从第三折射透镜表面发出的光有一个椭圆形截面，且其中光整形透镜被安排成将第三折射透镜表面发出的光照射到显示器件上。
14.一种投影仪系统，包括：
一个光源，被设计成发出光；
一个显示器件；
一个光整形透镜，具有第一折射透镜表面，其被设计成接收从光源发出的第一部分光；
第二折射透镜表面，其被设计成接收从光源发出的第二部分光；一个反射透镜表面，其被设计成反射至少部分由第一折射透镜表面和第二折射透镜表面接收的光；一个第三折射透镜表面，其具有第一方向上的第一曲率和第二方向上的第二曲率，其中第三折射透镜表面被设计成发出由第一折射透镜表面和第二折射透镜表面接收的和由反射透镜表面反射的光，且其中第一曲率和第二曲率被设计成使从第三折射透镜表面发出的光整形，使得从第三折射透镜表面发出的光具有一个椭圆形截面，且其中光整形透镜被安排成将发出的光照射在显示器件上；和
一个投影仪透镜组合，其接收从第三折射透镜表面发出和由显示器件调制的光，投影仪透镜组合被设计成投影调制的图像。

LED光整形装置和照明系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种LED光整形装置和照明系统，特别涉及一种用于投影照明系统的光整形透镜。\n[0002] 发明背景\n[0003] 高亮度发光二极管(LED)的进步已经提供了许多机会给LED用于不同照明技术，包括小型轻便的数据投影仪。从LED发出的光被投射到一个微型显示器上，如液晶显示器(LCD)、硅基液晶(LCoS)或数字微镜器件(DMD)。微型投影仪技术的一个挑战就是微型显示器通常是一个长方形形状，而LED发出的光是一个圆形半球形，其不符合微型显示器的形状。所以，由于从LED发出的光的形状不符合微型显示器设备的形状，LED光的有效性和均匀性以及投影图象的效果并不好。目前，已经尝试了一些方法来解决此问题。但是，其中一些已知方法需要多个透镜，从而增大了投影系统的尺寸，导致较大的投影设备。\n[0004] 所以，现有的LED光整形系统具有这些或那些方面的限制。因此，需要一种LED光整形装置和照明系统，能够解决这些或其它方面的缺点。\n[0005] 发明概述\n[0006] 依照本发明一个实施例，披露了一个光整形透镜，其被设计成使光源发出的光整形。光整形透镜包括一个光入射表面，其被设计成接收从光源发出的光；一个反射表面，其被设计成反射至少部分由光入射表面接收的光；和一个光出射表面，其具有第一方向上的第一曲率和第二方向上的第二曲率，其中光出射表面被设计成发出由光入射表面接收的和反射表面反射的光，其中第一曲率和第二曲率被设计成使光出射表面发出的光整形，使得从光出射表面发出的光有一个椭圆形截面。\n[0007] 依照本发明另一个实施例，披露了一个光整形透镜，其被设计成使光源发出的光整形。光整形透镜包括第一折射透镜表面，其被设计成接收从光源发出的第一部分光；第二折射透镜表面，其被设计成接收从光源发出的第二部分光；一个反射透镜表面，其被设计成反射至少部分由第一折射透镜表面和第二折射透镜表面接收的光；以及第三折射透镜表面，其被设计成发出由第一折射透镜表面和第二折射透镜表面接收的和由反射透镜表面反射的光，第三折射透镜表面有第一曲率和第二曲率，其中第三折射透镜表面将发出的光折射成一个椭圆形截面。\n[0008] 依照本发明的另一个实施例，披露了一种照明系统。此照明系统包括一个光源，其被设置以发出光；一个显示器件；一个光整形透镜，具有一个光入射表面，其被设计成接收光源发出的光；一个反射表面，其被设计成反射至少部分由光入射表面接收的光；一个光出射表面，具有第一方向上的第一曲率和第二方向上的第二曲率，其中光出射表面被设计成发出由光入射表面接收的和由反射表面反射的光，其中第一曲率和第二曲率被设计成使光出射表面发出的光整形，使得从光出射表面发出的光有一个椭圆型截面，其中光整形透镜被安排成将出射表面发出的光照射在显示器件上。\n[0009] 依照本发明另一个实施例，披露了一种投影系统。投影系统包括一个光源，其被设置以发出光；一个显示器件；一个光整形透镜，有一个光入射表面，其被设计成接收从光源发出的光；一个反射表面，其被设计成反射至少部分由光入射表面接收的光；一个光出射表面，其具有第一方向上的第一曲率和第二方向上的第二曲率，其中光出射表面被设计成发出由光入射表面接收的和由反射表面反射的光，其中第一曲率和第二曲率被设计成使出射表面发出的光整形，使得从光出射表面发出的光有一个椭圆形截面，其中光整形透镜被安排将发出的光照射到显示器件上；以及一个投影透镜组合，其接收从出射表面发出的并被显示器件调制的光，投影透镜组合被设计成投影被调制的图像。\n[0010] 对本领域技术人员，从以下的详细描述，本发明的其它实施例将变得更加容易理解，其中本发明实施例是通过图示描述进行说明。将会认识到，本发明可以有其它或不同的实施例，其一些细节可以以各种方式进行修改，而没有脱离本发明的精神和范围。\n附图说明\n[0011] 图1是本发明一个实施例的一个光整形透镜的透视图；\n[0012] 图2是本发明一个实施例的图1所示光整形透镜的第一截面图；\n[0013] 图3是本发明一个实施例的图1所示光整形透镜的第二截面图；\n[0014] 图4是本发明一个实施例的显示有光线路径的图2所示光整形透镜的第一截面图；\n[0015] 图5是本发明一个实施例的显示有光线路径的图3所示光整形透镜的第二截面图；\n[0016] 图6是本发明一个实施例的由图1所示光整形透镜产生的一个照明照度图；\n[0017] 图7是本发明一个实施例的使用LCoS显示器件的第一投影系统的结构示意图；\n[0018] 图8是本发明一个实施例的使用LCoS显示器件的第二投影系统的结构示意图；\n[0019] 图9是本发明一个实施例的使用LCoS显示器件和RGB LED的第三投影系统的结构示意图；\n[0020] 图10是本发明一个实施例的使用DMD显示器件的投影系统的结构示意图；\n[0021] 图11是本发明一个实施例的使用LCD板的投影系统的结构示意图。\n[0022] 发明详述\n[0023] 在以下描述，参照附图来描述本发明的实施例。可以理解，也可以有其它实施例，只要作出的结构和其它方面的改变并没有脱离本发明的范围。再者，不同实施例及其每个实施例的各个方面可以以任何合适的组合进行使用。所以，附图和详细描述在本质上被看作是描述性的而不是限制性的。\n[0024] 通常，本发明实施例涉及一种光整形透镜和使用该LED光整形透镜的一种照明系统以及一种投影仪装置。依照一个示范实施例，光整形透镜从一个透镜出射表面发出光。\n出射表面包括两个不同的曲率，即第一方向上的第一曲率半径和第二方向上的第二曲率半径。第一方向和第二方向通常相互垂直正交。这两个不同的曲率将光线形成一个椭圆形的光束。根据一个实施例，透镜出射表面是一个自由曲面。由于传统的投影仪显示平板通常有一个长方形形状，例如具有一个长宽为16:9或4:3的比率，具有椭圆形截面的发出光允许更多光线照射到显示器件区域，从而获得较好的照明均匀性和增加系统光学效率。本发明实施例的一个优势是：一个透镜就可以用来进行光整形，从而得到一个较小的投影仪和一个较短的光机系统。\n[0025] 现参照附图，图1是本发明一个实施例的一个光整形透镜100(也被称为“透镜”)的透视图。光整形透镜100包括一个出射表面102，出射表面102被设计成从透镜发出一光束，还包括一个外表面104，其也被称为反射表面，用来反射光线，使得光线从出射表面102发出。在一个实施例里，外表面104是一个反射表面。外表面104的形状可以被设计成使得外表面104是一个全内反射表面。在其它实施例里，外表面104可以被涂层或创建某些纹理来产生全内反射。\n[0026] 出射表面102是一个具有两个不同曲率的折射表面。出射表面102具有一个第一方向上的第一曲率以及一个第二方向上的第二曲率，第一曲率有第一曲率半径106，第二曲率有第二曲率半径108。为了便于描述，通常使用虚线来描述第一曲率半径106和第二曲率半径108，这并不表示在出射表面102的表面上的物理结构。第一曲率半径106和第二曲率半径108通常是相互垂直或正交的。这两个不同曲率作用在折射光线上，将出射表面\n102发出的光整形成一个具有椭圆形形状的光束。在一个实施例里，第一曲率半径106与x轴对齐，或是一条相对投影表面是水平的直线，而第二曲率半径108与y轴对齐，或是一条相对投影表面是垂直的直线。但是，可以认识到，可以旋转轴而旋转发出光束的形状。\n[0027] 透镜100的形状通常是关于一个纵向轴110呈旋转对称的，纵向轴110如虚线所示。可以注意到，透镜100的出射表面102并不关于纵轴110呈旋转对称，如上所述，第一曲率和第二曲率都与纵轴110相交，通过第一曲率半径106与纵轴110的交叉和第二曲率半径108与纵轴110的交叉所示。\n[0028] 依照一个实施例，透镜100的出射表面102是自由曲面，而不是球面或非球面的，所以由透镜发出的光可具有较好的均匀性。因此，发出光的效率通过本发明的实施例得以增强，因为从LED或其它光源发出的大部分光被转折并被照射到显示平面上，用来投影显示图像的光量增加了或最大化了。\n[0029] 透镜100还包括一个光入射表面，其被设计成接收从光源发出的光。依照一个实施例，光入射表面包括第一入射表面120和第二入射表面122，它们未在图1内显示，但在图\n2到5所示的截面图里有描述和说明。\n[0030] 依照本发明的一个实施例，图2是图1所示光整形透镜100的第一截面图，而图3是图1所示光整形透镜100的第二截面图。图2所示的截面图是沿着第一曲率半径106截的，而图3所示的截面图是沿着第二曲率半径108截的。从所示的附图，可以看出图3内沿着第二曲率半径108的出射表面102比图2内沿着第一曲率半径106的出射表面102具有更大的曲率。\n[0031] 透镜100还包括第一入射表面120和第二入射表面122。第一入射表面120是一个折射透镜表面，其被设计成接收从LED或其它光源发出的光。第一入射表面120被设计成折射从光源发出的第一部分光。尽管在图2和3内显示的是两个壁截面(wall-section)，可以理解为，第一入射表面120通常是一个圆柱表面，其从透镜100的窄端延伸入透镜100内。透镜还包括第二入射表面122。第二入射表面122是一个折射透镜表面，其被设计成折射从光源发出的第二部分光。第二入射表面122通常有一个圆锥形状。依照一个实施例，基本上所有从光源发出的光被第一入射表面120和第二入射表面122折射。外表面104被设计成反射至少一部分由第一入射表面120和第二入射表面122折射的光。光被反射到透镜100的出射表面102。出射表面102被设计成以预设角度折射光，使得发出光束的截面通常是椭圆形的。\n[0032] 透镜100的出射表面102最靠近透镜100的外表面104。透镜的外表面104最靠近透镜100的第一入射表面120，而第一入射表面120最靠近透镜100的第二入射表面122。\n依照一个实施例，每个透镜表面通常都与其最靠近的表面相连。\n[0033] 依照本发明的一个实施例，图4是显示了光线路径的图1所示光整形透镜的第一截面图，而图5是显示了光线路径的图1所示光整形透镜的第二截面图。图4和图5类似于图2和图3，除了箭头线显示从光源400发出光的反射和折射。参照图4，多个第一光线\n402通常从透镜100的出射表面102直接折射出来，而多个第二光线404是以一个轻微的内向角度从透镜100的出射表面102折射出来。参照图5，多个第三光线502是从透镜100的出射表面102折射出来，而多个第四光线504是以一个增大的内向角度从透镜100的出射表面102折射出来，其中多个第四光线504的内向角比多个第二光线404的内向角大。所以，多个第二光线404和多个第四光线之间的内向角度的差别会产生一个椭圆形光束而从透镜的出射表面102发出。可以理解，一些第一光线402与一些第三光线502是共线的。\n[0034] 图6是本发明一个实施例的由图1所示光整形透镜产生的照明照度图。附图是一个灰度显示的RGB LED的照度图。如此所述，该照度图显示有一个椭圆形截面的均匀度，光线在x轴上比在y轴上具有更大的尺寸。\n[0035] 图7到图11是使用图1到图5所示光整形透镜100的投影和照明系统的多个实施例。这些实施例显示了一种照明和投影系统。将会认识到，这些仅仅是使用透镜100的示范实施例，也可以有使用这些或其它显示平板的其它应用和实施。\n[0036] 图7是本发明一个实施例的使用LCoS显示平板的第一投影系统的结构示意图。投影系统包括一个光整形透镜700、一个光源702、一个聚光透镜704、一个偏振分光器立方体\n706、一个LCoS板708和多个投影透镜710。在图7到图11所述的实施例里，投影系统包含照明系统与投影透镜。依照一个实施例，照明系统包含光整形透镜700、光源702和LCoS板\n708。光线720通常表示投影系统内光的路径。依照其它实施例，照明系统也可以包括投影系统的任何其它组件数目。\n[0037] 照明系统也可以包括一个控制模组，其被连接到LCoS板708或其它类型的显示平板，控制模组被设计成处理图像数据，并形成一个调制图像在显示平板上。投影透镜710被设计成将调制图像投影到显示器，如屏幕或其它表面上。控制模组可以被连接到一个系统，其产生并发送图像数据到控制模组。例如，图像数据可能来自一台计算机或一个数据存储设备，如存储卡、USB存储器、光碟、CD-ROM或其它存储设备。对本领域技术人员而言，适用于照明系统和投影系统的控制模组是熟知的。\n[0038] 图8是本发明一个实施例的使用LCoS显示平板的第二投影系统的结构示意图。投影系统包括一个光整形透镜800、一个光源802、一个聚光透镜804、一个偏振分光板806、一个LCoS板808和多个投影透镜810。光线820通常表示投影系统内光的路径。\n[0039] 图9是本发明一个实施例的使用LCoS显示平板和RGB LED组的第三投影系统的结构示意图。投影系统包括多个光整形透镜900。在所述实施例里，包括三个光整形透镜\n900，每个光源有一个光整形透镜。投影系统还包括第一光源901、第二光源902、和第三光源903，其分别是红色LED、绿色LED和蓝色LED，一个聚光透镜904、一个X立方体905用来混合从第一、第二和第三光源发出的光，一个偏振分光板906、一个LCoS板908和多个投影透镜910。光线920通常表示投影系统内光的路径。\n[0040] 在图7和图8所示的实施例里，LCoS板708、808是一个滤色片(color filter)LCoS板，其可以使用单个LED，如白色LED。在图9所述的实施例里，由于使用了RGB LED，可以使用一个场序(fieldsequential)LCoS板，从而提供彩色。优选使用一个彩色滤光LCoS板，因为使用单个LED可以有一个较小的照明和投影系统。\n[0041] 图10是本发明一个实施例的使用DMD显示平板的一个投影系统的结构示意图。投影系统包括多个光整形透镜1000。在所述实施例里，包括三个光整形透镜1000，每个光源有一个光整形透镜。投影系统还包括第一光源1001、第二光源1002和第三光源1003，其分别是红色LED、绿色LED和蓝色LED，一个聚光透镜1004、一个X立方体1005用来混合从第一、第二和第三光源发出的光，一个全内反射(TIR)棱镜1006、一个DMD板1008和多个投影透镜1010。光线1020通常表示投影系统内光的路径。\n[0042] 图11是本发明一个实施例的使用LCD板的一个投影系统的结构示意图。投影系统包括一个光整形透镜1100、一个光源1102、一个聚光透镜1104、一个LCD板1108和多个投影透镜1110。光线1120通常表示投影系统内光的路径。\n[0043] 尽管参照所述实施例已经特别显示和描述了本发明，本领域技术人员将理解可以对其格式或细节作出改变，而没有脱离本发明的精神和范围。例如，尽管示范类型的投影仪包括DMD、LCoS和LCD，但本发明实施例不限于这些类型，可以为其它投影仪类型使用。再者，虽然本发明的其它方面非常适合微型或便携式投影仪，本发明的实施例也可以被实施到其它类型的投影仪。再者，尽管透镜100，也被称为一个LED光集光镜(light collector)或光准直镜(light collimator)，被设置使得其产生全内反射，本发明的实施例也可以使用其它的形状和构造。但是，全内反射可以产生更大的光效率。\n[0044] 尽管是图3和4内的光线表示出一个折射角，但是光线的期望曲率和弯曲角取决于使用的显示平板的尺寸。依照特定应用的要求，如果使用一个小的面板，弯曲角会更大，使得光可以聚在一个较小的区域，而使用一个较大的面板，弯曲角可能更小，使得光聚在一个更大的区域。所以，虽然描述和说明了某些曲率半径，但本发明的实施例并不限于这些曲率半径。另外，尽管描述的透镜的出射表面具有第一曲率和第二曲率，出射表面也可以包括其它曲率，随特定应用要求的不同而不同。\n[0045] 所以，以上描述意在提供本发明的示范实施例，而本发明的范围并不受制于在此提供的具体例子。