CN101165542B - 回射式光管、照明器件及投影显示器 - Google Patents

回射式光管、照明器件及投影显示器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种回射式光管、包括该回射式光管的照明器件以及包括该照明器件的投影显示器。回射式光管包括：入射部，光线经由该入射部入射；引导部，引导入射光以使该入射光在被引导部的内壁反射的同时于该引导部的内部传播，由此混合该入射光，从而提供均匀光线；以及回射部，设在引导部的一端处，该回射部朝向入射部回射引导部内的入射光。照明器件包括光源、回射式光管、以及设在该光源与回射式光管之间且改变来自光源的入射光的光路以使来自该光源的光线朝向回射式光管的光路改变件。

Description

回射式光管、照明器件及投影显示器
技术领域
符合本发明的装置涉及一种通过用较短光管提供均匀光线而能够小型化的照明器件以及包括该照明器件的投影显示器。
背景技术
一般，投影显示器通过利用照明器件把显示设备生成的图像投射到屏幕上来提供图像。显示设备包括数字微镜设备(DMD)、透射式液晶显示设备(LCD)、硅基液晶(LCOS)等。
能够以均匀剖面照射从光源入射的光线的照明器件广泛用于投影显示器例如投影仪等。
图1是表示现有照明器件的光学布置的示意图。参照图1，现有照明器件包括用于聚集从光源入射的光线的聚光透镜14、用于混合光线的光管22、以及照明透镜56。现有照明器件利用光管22混合从光源入射的光线，并由此提供均匀光线。在光管22的输出端处形成的均匀光线经由照明透镜56投射到图像显示器件52上。然而，在图1所示的现有照明器件中，光管22必须具有用于提供均匀光线的预定长度，且需要大空间来设置光学元件，这导致难以使投影显示器小型化。另外，当采用多个光源且每个光源投射准直光线例如激光束时，难以形成均匀光线。
发明内容
本发明的示范实施例提供一种可用短光路形成均匀光线的回射式光管(retro-reflective type light pipe)、包括该光管的照明器件、以及包括该照明器件的投影显示器，它们易于提供均匀光线且还能够被小型化。
本发明还提供一种回射式光管，其包括：入射部，光线经由该入射部入射；引导部，引导入射光以使该入射光在被引导部的内壁反射的同时于该引导部的内部传播，由此混合该入射光，从而提供均匀光线；以及回射部，设在引导部的一端处，该回射部朝向入射部回射引导部内的入射光。
根据本发明的一方面，提供一种照明器件，其包括：光源；回射式光管；以及光路改变件，设在该光源与回射式光管之间且改变来自光源的入射光的光路以使来自该光源的光线被引导向回射式光管。
根据本发明的另一方面，提供一种投影显示器，其包括：如上所述的照明器件；图像显示器件，选择性地透射和反射从照明器件射出的光线以形成图像；以及投影透镜单元，把图像显示器件形成的图像投射到屏幕上。
附图说明
利用以下参照附图对本发明示范实施例的详细说明，本发明的以上及其它示范方面和优点将变得更明显，其中：
图1是表示现有照明器件的光学布置的示意图；
图2至7是根据本发明各种示范实施例的回射式光管的示意图；
图8是根据本发明一种示范实施例的照明器件的示意图；
图9是表示根据本发明一种示范实施例的照明透镜单元的焦点附近的光路的示意图；
图10是根据本发明另一示范实施例的照明器件的示意图；
图11是根据本发明另一示范实施例的照明器件的示意透视图；以及
图12是根据本发明一种示范实施例的投影显示器的示意图。
具体实施方式
现在将参照表示本发明示范实施例的附图更充分地说明回射式光管、包括该光管的照明器件以及包括该照明器件的投影显示器。然而，本发明可体现为许多不同形式且不应被解释为局限于在此阐述的实施例；相反，这些实施例提供用以使公开内容全面和完整以及使该公开内容向本领域那些技术人员充分地传达本发明的概念。在附图中，相同附图标记指代相同部件，且为了清楚，部件的尺寸被放大。
图2是根据本发明一种实施例的回射式光管100的示意图。回射式光管100通过混合入射光来引导该入射光以形成均匀光线，且随后朝向与入射光的入射方向相反的方向射出此均匀光线。为此，回射式光管100包括：光线经由其入射的入射部120；用于引导入射光以使光线在其内壁处反射的同时于内部传播的引导部140；以及通过改变光路的方向来使入射光射向入射部120的回射部160。回射部160被设置成与入射部120相对，且引导部140例如构造有筒部142和形成于该筒部142的内壁上的反射部144，该筒部142具有供光线在其内传播的内部空间。回射部160具有凹状镜面162以朝向入射部120回射入射光且然后经由该入射部120射出入射光。凹状镜面162具有球形或抛物线形，可考虑到射出光的预期光路来适当选择凹状镜面162的形状。以下将说明混合入射光以提供均匀光线且然后从回射式光管100射出该均匀光线的过程。入射到回射式光管100上且相对于光轴具有预定入射角的光线I1在引导部140内传播，同时被反射部144反射。随后，入射光I1经回射部160反射，然后射向入射部120。这里，由于从回射部160反射的光线在引导部140内传播，同时再次被反射部144反射，所以光线被光学混合以射出均匀光线。平行于光轴入射的光线I2经回射部160反射。随后，经反射的光线朝向位于引导部140的内壁上的反射部144传播，并经该反射部144反射以使平行于光轴入射的光线I2也作为均匀光线射出。因为入射到回射式光管100上的光线通过被回射部160反射而在引导部140内往复运动之后射出，所以能够在狭窄空间内有效地执行光学混合。
图3和4是根据本发明其它实施例的回射式光管200和300的示意图。参照图3和4，回射式光管200和300分别包括入射部220和320、引导部240和340和回射部260和360，该引导部240和340分别包括筒部242和342和反射部244和344。除了回射部260和360的详细构造以外，回射式光管200和300的功能基本与图2的回射式光管100相同。图3的回射部260包括至少一个平镜面262。回射部260可包括多个平镜面262。例如，平镜面262可相对于光轴相互对称地设置。尽管图3表示了两个平镜面262，但本发明不限于此，平镜面262的数量可以为一个或者更多。图4的回射部360包括微棱镜阵列362。
图5是根据本发明另一实施例的回射式光管150的示意图。参照图5，回射式光管150包括光线入射于其上的入射部125、具有内壁145a的引导部145、以及回射部165。引导部145引导入射光以使该光线在被其内壁反射的同时于内部传播。具体地说，引导部145引导光线以利用该引导部145与外界的折射率差而使该光线在内壁145a处全反射。因此，引导部145由折射率大于周围介质例如空气的透明介质形成。例如，引导部145可由玻璃棒组成。当光线以大于临界角(θc)的角度入射到引导部145的内壁145a上时，入射光线全反射。具有凹状镜面163的回射部165朝向入射部125回射入射光，以使被反射的光线经由入射部125射出。凹状镜面163具有球形或抛物线形，可考虑到射出光的预期光路来适当选择凹状镜面163的形状。以下将说明混合入射光以提供均匀光线且然后从回射式光管150射出该均匀光线的过程。入射到回射式光管150上且相对于光轴具有预定入射角的光线I1在引导部145内传播，同时被该引导部145的内壁145a反射。随后，光线经回射部165反射，然后射向入射部125。这里，由于经回射部165反射的光线传播，同时再次被引导部145的内壁145a全反射，所以光线被光学混合以射出均匀光线。平行于光轴入射的光线I2也经回射部165反射。随后，经反射的光线朝向引导部145的内壁145a传播，然后再次被该内壁145a反射，以使平行于光轴入射的光线I2也作为均匀光线射出。因为入射到回射式光管150上的光线通过被回射部165反射而在引导部145内往复运动之后射出，所以能够在狭窄空间内有效地执行光学混合。
图6和7分别是根据本发明其它实施例的回射式光管250和350的示意图。参照图6和7，回射式光管250和350分别包括入射部225和325、引导部245和345和回射部265和365，该引导部245和345分别包括内壁245a和345a。除了回射部265和365的详细构造以外，回射式光管250和350的功能基本与图5的回射式光管150相同。图6的回射部265包括至少一个平镜面263。回射部265可构造有多个平镜面263。例如，平镜面263可相对于光轴相互对称地设置。尽管图6表示了两个平镜面263，但本发明不限于此，平镜面263的数量可以为一个或者更多。图7的回射部365包括微棱镜阵列363。
本发明不限于图2至7中所示的回射式光管100、200、300、150、250和350的特定形状。也就是说，根据本发明的回射式光管可采用一切从回射部朝向入射部反射入射光并在光学混合之后经由此光路射出经反射光线的可能形状。例如，根据本发明的回射式光管的引导部可具有弯曲形状和直线形状。
图8是根据本发明一种实施例的照明器件500的示意图。参照图8，照明器件500包括光源510、图2的回射式光管100和光路改变件540。
发光二极管(LED)、激光器等可用作光源510。回射式光管100通过混合入射光来引导该入射光以形成均匀光线，然后通过改变其光路来朝向与入射光的入射方向相反的方向射出该均匀光线。
回射式光管100的构造和功能基本与图2至7中表示的那些相同。另外，尽管图8中表示了图2的回射式光管100，但图3至7中所示的回射式光管200、300、150、250和350中的任一者也可用在根据本发明当前实施例的照明器件500中。
光路改变件540设在光源510与回射式光管100之间，且改变光路以使从该光源510入射的光线朝向该回射式光管100传播。例如，光路改变件540可以由反向镜组成。光路改变件540的尺寸被设定为使其能够避开从回射式光管100射出的均匀光线的光路。照明器件500还包括位于光路改变件540与回射式光管100之间且用于会聚从光源510入射的光线以对应于回射式光管100的图2所示入射部120的照明透镜单元560。照明透镜单元560的形状不限于图8所示的形状。然而，照明透镜单元560可包括多个透镜或者单个透镜。同时，光路改变件540可设在照明透镜单元560的焦点处。另外，照明器件500还包括用于朝向照明透镜单元560的焦点即光路改变件540聚集从光源510入射的光线的聚光器单元530。聚光器单元530可以采用聚集光线的聚光透镜532。
图9是根据本发明一种实施例的照明透镜单元560的焦点附近的光路的示意图。参照图8和9说明照明器件500射出均匀光线的过程。从光源510辐射的光线利用聚光器单元530朝向照明透镜单元560的焦点聚集。同时，光路改变件540设在照明透镜单元560的焦点处且把聚集光线的光路改变为朝向照明透镜单元560。朝向照明透镜单元560的光线在通过该照明透镜单元560之后转换为平行光线，随后入射到回射式光管100的入射部120上。由于回射式光管100包括如上所述图2的回射部160，光线被该回射部160反射并在图2的引导部140处光学混合，从而提供均匀光线。于是，均匀光线再次经由入射部120射出。这里，入射光平行于回射式光管100，但射出的均匀光线不同于入射光，其相对于该回射式光管100的光轴具有预定的角度。因此，射出的均匀光线不通过照明透镜单元560的焦点，而在经过该照明透镜单元560之后通过与该照明透镜单元560的焦点f隔开的点h1或h2。也就是说，均匀光线避开光路改变件540传播。
图10是根据本发明另一实施例的照明器件600的示意图。参照图10，照明器件600包括光源610、图2的回射式光管100和光路改变件640。尽管图10中表示了图2的回射式光管100，但图3至7中所示的回射式光管200、300、150、250和350中的任一者也可用在根据本发明当前实施例的照明器件600中。
照明器件600还可包括位于光路改变件640与回射式光管100之间且用于会聚从光源610入射的光线以对应于回射式光管100的入射部的照明透镜单元660。在此例中，光路改变件640设在照明透镜单元660的焦点处。照明器件600还包括用于朝向照明透镜单元660的焦点聚集从光源610入射的光线的聚光器单元630。以上部件的功能基本与如图8和9所示的照明器件500的那些类似部件相同。然而，光线从图10的照明器件600的光源610射出的方向不同于光线从图8的照明器件500的光源510射出的方向。也就是说，光线平行于回射式光管100的光轴从光源610射出。起到把光源610的光线聚集到照明透镜单元660的焦点上的作用的聚光器单元630包括用于聚集光线的聚光器单元632和用于改变光路以使光线朝向光路改变件640传播的反射件634。反射件634例如可以包括反射镜。
图11是根据本发明另一实施例的照明器件700的示意透视图。在照明器件700中，光路改变件740设在类似于图9的位置h1或h2的位置处。照明器件700包括光源710、图2的回射式光管100和光路改变件740。尽管图11中表示了图2的回射式光管100，但本发明不限于此，图3至7中所示的回射式光管200、300、150、250和350中的任一者也可用在根据本发明当前实施例的照明器件700中。
照明器件700还可包括在光源710与回射式光管100之间沿着光路设置的照明透镜单元760。除了光路改变件740设在与照明透镜单元760的焦点隔开的位置例如点h1或h2处以外，以上部件的功能基本与如图8和10中所示的照明器件500和600的那些类似部件相同。光路改变件740例如包括反射镜。如图11所示，光路改变件740被提供为呈涂覆于光学透射件750上的镜面740的形式。另外，尽管图11中表示了两个光路改变件740，但本发明不限于此，光路改变件740的数量可以是与光源710的数量对应的一个或更多。光路改变件具有近似与光源710射出的光束的横截面积相同的尺寸。
光源760的光线利用光路改变件740朝向照明透镜单元760，然后经由照明透镜单元760入射到回射式光管100上。经由回射式光管100光学混合后射出光线的过程基本与参照图2至7所述的相同。同时，射出的均匀光线经由照明透镜单元760沿着不妨碍光学改变件740的光路传播以射出该均匀光线。
图12是根据本发明一种实施例的投影显示器900的示意图。参照图12，投影显示器900包括图8的照明器件500、图像显示器件960、以及投影透镜单元980。尽管图12中表示了图8的照明器件500，但本发明不限于此，图10和11的照明器件600和700中的任一者也可用在投影显示器900中。在图像显示器件960与照明器件500之间，投影显示器900还包括用于会聚光线以对应于图像显示器件960的中继透镜920。另外，分束器940可额外设在图像显示器件960与中继透镜920之间。分束器例如可以是根据光线的偏振来反射或透射该光线的偏振分束器。图像显示器件960通过选择性地透射或反射从照明器件500射出的均匀光线来形成图像。图12中所示的图像显示器件960是反射式显示设备例如硅基液晶(LCOS)，但本发明不限于此，也可以是通过以像素单元选择性地反射入射光来形成图像的数字微镜设备或者通过以像素单元选择性地透射入射光来形成图像的透射式显示设备例如透射式液晶显示设备。投影透镜单元980把利用图像显示器件960形成的图像放大并投射到屏幕(未表示)上。
根据本发明的回射式光管被构造成使入射光在被引导部的内壁反射的同时于该引导部内传播以便光学混合该入射光，且还具有朝向入射部回射入射光的回射部。因此，在根据本发明的回射式光管中，可在狭窄空间内有效地混合光线。另外，可使包括该回射式光管的照明器件以及包括该照明器件的投影显示器小型化。
尽管已参照本发明的示范实施例具体表示和说明了本发明，但本领域那些技术人员将理解的是，可在形式和细节上对本发明做出各种变化而不脱离如以下权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
本申请要求享有2006年10月19日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2006-0102044的优先权，在此整体引入该申请的公开内容以供参考。

Claims (31)

1.一种回射式光管，用于混合从光源入射的光线从而向图像显示器件提供均匀光线，包括：
入射部，光线经由该入射部入射；
引导部，引导所述入射光以使所述入射光在被所述引导部的内壁反射的同时于所述引导部的内部传播，由此混合所述入射光，从而提供均匀光线；以及
回射部，设在所述引导部的一端处，所述回射部朝向所述入射部回射所述引导部内的所述入射光，由此从回射部反射的光线在所述引导部内传播，同时再次被所述引导部的内壁反射。
2.根据权利要求1所述的回射式光管，其中，所述引导部包括：
筒部，包括供所述入射光在其内传播的内部空间；以及
反射部，形成在所述筒部的内壁上。
3.根据权利要求1所述的回射式光管，其中，所述引导部的折射率大于周围介质的折射率，以使所述入射光在所述引导部内全反射。
4.根据权利要求1所述的回射式光管，其中，所述回射部设在所述光管的第一端处，而所述入射部设在所述光管的与所述第一端相对的第二端处。
5.根据权利要求1所述的回射式光管，其中，所述回射部包括凹面镜。
6.根据权利要求1所述的回射式光管，其中，所述回射部包括相对于一平面倾斜的平面镜，所述平面与所述引导部的中心轴垂直。
7.根据权利要求6所述的回射式光管，其中，所述回射部包括多个相对于所述引导部的所述中心轴对称设置的平面镜。
8.根据权利要求1所述的回射式光管，其中，所述回射部包括微棱镜阵列。
9.一种照明器件，包括：
光源；
如权利要求1所述的回射式光管；以及
光路改变件，设在所述光源与所述回射式光管之间，其改变来自所述光源的所述入射光的光路以使来自所述光源的所述光线被引导向所述回射式光管。
10.根据权利要求9所述的照明器件，其中，所述引导部包括：
筒部，包括供所述入射光在其内传播的内部空间；以及
反射部，形成在所述筒部的内壁上。
11.根据权利要求9所述的照明器件，其中，所述引导部的折射率大于周围介质的折射率以使所述入射光在所述引导部内全反射。
12.根据权利要求9所述的照明器件，其中，所述回射部设在所述光管的第一端处，而所述入射部设在所述光管的与所述第一端相对的第二端处。
13.根据权利要求9所述的照明器件，其中，所述回射部包括凹面镜。
14.根据权利要求9所述的照明器件，其中，所述回射部包括相对于一平面倾斜的平面镜，所述平面与所述引导部的中心轴垂直。
15.根据权利要求14所述的照明器件，其中，所述回射部包括多个相对于所述引导部的所述中心轴对称设置的平面镜。
16.根据权利要求9所述的照明器件，其中，所述回射部包括微棱镜阵列。
17.根据权利要求9所述的照明器件，其中，还包括在所述光路改变件与所述回射式光管之间沿着光路设置的照明透镜单元，所述照明透镜单元把入射其上的光线集中到所述回射式光管的所述入射部上。
18.根据权利要求17所述的照明器件，其中，所述光路改变件设在所述照明透镜单元的焦点处。
19.根据权利要求18所述的照明器件，其中，还包括把从所述光源入射其上的光线聚集到所述照明透镜单元的所述焦点上的聚光器单元。
20.根据权利要求19所述的照明器件，其中，所述光路改变件的位置和尺寸是这样设置的，即，使得所述光路改变件不在相对于所述回射式光管的光轴以预定角度从所述照明透镜单元射出的光线的光路内。
21.根据权利要求17所述的照明器件，其中，所述光路改变件同所述照明透镜单元的焦点隔开。
22.根据权利要求21所述的照明器件，其中，所述光路改变件具有与从所述光源射出的光束的横截面积近似相同的尺寸。
23.根据权利要求22所述的照明器件，其中，所述光路改变件的位置和尺寸是这样设置的，即，使得其不在从所述照明透镜单元射出的光线的光路内。
24.一种投影显示器，包括：
根据权利要求9所述的照明器件；
图像显示器件，选择性地透射和反射从所述照明器件射出的光线以形成图像；以及
投影透镜单元，把所述图像显示器件形成的所述图像投射到屏幕上。
25.根据权利要求24所述的投影显示器，其中，还包括在所述光路改变件与所述回射式光管之间沿着光路设置的照明透镜单元，所述照明透镜单元把入射其上的光线集中到所述回射式光管的所述入射部上。
26.根据权利要求25所述的投影显示器，其中，所述光路改变件设在所述照明透镜单元的焦点处。
27.根据权利要求26所述的投影显示器，其中，还包括把来自所述光源的光线聚集到所述照明透镜单元的所述焦点上的聚光器单元。
28.根据权利要求27所述的投影显示器，其中，所述光路改变件的位置和尺寸是这样设置的，即，使得所述光路改变件不在相对于所述回射式光管的所述光轴以预定角度从所述照明透镜单元射出的光线的光路内。
29.根据权利要求25所述的投影显示器，其中，所述光路改变件同所述照明透镜单元的焦点隔开。
30.根据权利要求29所述的投影显示器，其中，所述光路改变件具有与从所述光源射出的光束的横截面积近似相同的尺寸。
31.根据权利要求30所述的投影显示器，其中，所述光路改变件的位置和尺寸是这样设置的，即，使得其不在从所述照明透镜单元射出的光线的所述光路内。
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