CN1813216A - 用于使例如投影显示器的光学***中的反射光再循环的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种光学***(100，200)及使用方法，包括至少一个光源(105，106，107，211，302)，每个光源基本上透射处于基本上随机偏振态或非偏振态的特定波长范围的光。该光学***(100，200)包括与该光源耦合的反射偏振器(108，204，305)，和将反射光重定向通过该光源并重定向到该反射偏振器上的元件(101，102，103，201，202，203，301)。例如，在该光源(105，106，107，211，302)和元件(101，102，103，201，202，203，301)之间基本上不存在光程。还公开了一种光学组件，使反射光再循环。

Description

用于使例如投影显示器的光学***中 的反射光再循环的方法和设备
液晶(LC)技术已经应用于投影电视、计算机监视器、销售点显示器和电子电影院中所用的投影显示器中，这里提及了几种应用。
LC设备的最新应用是在硅衬底上的反射LC显示器。硅基的反射LC显示器通常包括用于使液晶分子的轴选择性旋转的互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管/开关的有源矩阵阵列。众所周知，通过在LC盒两端施加电压，可选择性地旋转反射光的偏振面。同样，通过选择性地开关阵列中的晶体管，可使LC介质用于调制带有图像信息的光。然后，通过投影光学***将该已调制的光在屏上成像，从而形成图像或“画面”。
在许多LCD***中，来自光源的光在入射到液晶材料之前沿特殊定向选择性地起偏。这通常利用位于光源和液晶之间的偏振器来实现。如能够理解的，这种类型的***将导致相当大的光损失。例如，在光是随机偏振或非偏振的***中，一半的光能没有透射到液晶，因此，这部分光能损失掉了。这种低效率会对所显示的图像具有有害的影响。例如，光能的损失会导致亮度下降。
因此，需要一种至少克服上述不足的LC设备。
依照实施例，光学***包括至少一个光源，每个光源基本上都透射处于基本上随机偏振态或非偏振态的特定波长或波长范围的光。该光学***包括与光源耦合的反射偏振器，和将反射光重定向通过该光源并重定向到该反射偏振器上的元件。例如，在该光源和该元件之间基本上不存在光程。
依照另一个实施例，一种使光再循环以提高光学***效率的方法包括，提供至少一个反射偏振器和至少一个非偏振或随机偏振光的光源，其中反射偏振器中一个与每一个非偏振或随机偏振光的光源耦合。该方法还包括将该反射偏振器反射的光重定向通过该光源并使其回到该反射偏振器，该反射偏振器透射特定偏振态的光，并将其余光反射到该元件。例如，在该反射偏振器和该元件之间基本上不存在光程。
依照另一个实施例，一种光学组件包括发光元件，其嵌入在光学元件中。该光学元件将该元件一端反射的光重定向，返回通过该发光设备，并从所述那一端射出。例如，该发光元件发射在基本上有限波长范围内的随机偏振光或非偏振光。
通过结合附图阅读下面详细的描述，本发明能够得到最好的理解。要强调的是，各个特征不一定按照比例绘制。实际上，为了讨论的清楚起见，可以任意增大或减小这些尺寸。
图1是依照一个实施例的光学***的示意图。
图2是依照另一个实施例的光学***的示意图。
图3是依照一个实施例的具有发光元件的光学元件的横截面视图。
在下面的详细描述中，为了说明而非限制的目的，阐述了公开具体细节的实施例，以便全面理解本发明。但是，对于已获得本发明公开内容的利益的本领域普通技术人员来说，显而易见，本发明可以按照不同于本文公开的具体细节的其他实施例来实施。此外，为了使本发明的说明清楚，省略了对于公知设备、方法和材料的描述。
图1示出依照实施例的光学***100。该光学***100包括第一光学元件101、第二光学元件102、第三光学元件103和光学设备104，该光学设备104组合来自第一、第二和第三光学元件的光。例如，光学设备104是二向色立方体，这种二向色立方体是本领域普通技术人员公知的设备，可用于组合不同波长的光。
但是，要注意，除了该二向色立方体之外，可以使用其他元件来组合图1中所示布置中的多个光学元件的光，以及与各个实施例一致的其他布置中的多个光学元件的光。例如，包括串联的二向色元件用以组合来自各个源的光可能是很有益的，所述各个源具有不同的发射波长/波长范围。此外，具有串联的两个二向色元件用以组合来自具有不同发射波长范围的两个光源的光，和具有与它们成一定角度的第三二向色元件用以将来自第三光源的第三波长范围的光与来自前两个光源的光组合，可能是很有益的。当然，这些例子仅仅是用来说明的，而不是对实施例的限制。例如，应用引用的原理，可以利用适当选择和排列的这种二向色元件来组合来自多于三个光源的光，其中每个光源都发射不同波长范围的光。
光学元件101、102和103分别包括发光元件105、106和107。此外，光学元件101、102和103中的每一个都包括光重定向器(lightre-director)(LRD)109，本文中将进一步详细地说明其功能。例如，光学元件105、106和107可以是发射有限波长范围的光的发光二极管(LED)或其阵列。例如，LED的半最大值全宽度(FWHM)发射波长范围是大约20nm到大约40nm。此外，要注意，使用LED作为发光元件105、106、107是说明性的实施例。即，可以使用发射一定波长带或单一波长的随机偏振光或非偏振光的其他光源。一般来说，发光元件105、106、107的发射光谱是中心波长附近的一定范围，其发出的光是随机偏振光或非偏振光。
到现在为止描述的实施例中，各个光学元件101、102和103的发射波长范围互不相同。当然，这通过使每个光学元件101、102、103具有发射特定波长范围内的光的一个或多个发光设备来实现，所述特定波长范围不同于由其他光学元件的发光设备所发射的光的波长范围。此外，在任一个(或多个)光学元件101、102、103中可存在发射不同波长带的光的发光设备。这一点可以实现来稍微加宽色原之一的光谱宽度。当然，这可以利用发射所需波长范围内的光的多个LED来实现。
最后，如上所述，每个光学元件101-103都可以具有多于一个的发光元件。例如，每个光学元件都可以包括标称为相同发射波长范围的几个LED芯片，以便提高整个源的流明输出。当然，不同的配置也是可以的。例如，可以在一个LRD(109)中布置多个芯片，或者可以在一个LRD中布置一个芯片阵列，其中该阵列的输出与二向色立方体(光学设备104)的一个面对准。该LED可以是如2002年12月20日提交的题为“Apparatus and method for immuminating a rod(用于照射棒的设备和方法)”的美国临时申请序号60/435245中所描述的LED，特别在此将其引入作为参考。
在一个实施例中，发光元件105-107中的每个都包括反射偏振器108，该反射偏振器透射特定状态的线性偏振光，并反射所有其余的光。例如，如果该反射偏振器的偏振轴取向平行于s偏振光，那么该光将被透射，并基本上反射所有的p偏振光。有利的是，反射偏振器108与LRD 109直接接触。例如，如图所示，反射偏振器108可以直接形成在LRD 109的表面上。可替换的是，可以在LRD 109和该反射偏振器之间布置诸如四分之一波片的元件。此外，反射偏振器108可以与LRD 109分开。也可以使用这种可替换的实施方案，但是应该使该反射偏振器的反射损失尽可能最小。在这种情况下，偏振器108和LRD 109之间的光程应该比LRD 109的输出面的直径小，偏振器108和LRD 109中间存在空气(或其他适当的透明介质)。此外要注意的是，LRD 109可以具有反射面和邻近偏振器108输出面处的诸如透镜的折射面。包括这种反射偏振器和四分之一波片的原因以及该反射偏振器的位置将随着继续对本发明进行描述而变得更清楚。
依照实施例，LRD 109是复合抛物形聚光器(CPC)，这对本领域普通技术人员来说是一种已知的设备，本文将进一步详细地描述该聚光器。这仅仅是说明性的，可以使用如其他光学元件来满足该实施例的LRD 109的所需特定功能。为此，可以使用产生光的较窄角分布同时使反射光返回到光源的光学元件作为LRD 109。例如，可以使用如美国专利US 6457423中描述的准直器。该专利转让给了本发明的受让人，该专利的公开内容特别在此引入作为参考。另外，在一个实施例中，反射偏振器108是线栅偏振器。可替换的是，反射偏振器108可以是电介质堆叠偏振器(dielectric stack polarizer)或类似的基于干涉的偏振器，其反射除了选定波长之外的所有波长。最后，QWP 113可以是电介质堆叠偏振器、晶体偏振器或类似的延迟器。要注意，各个说明性的元件目的是用来作为在实现这些实施例中有用的设备的例子，而不是用来限制这些实施例的界限。
现在将详细描述从第一光学元件101发射的光的横穿运动(traversal)。对于从第二元件102和第三元件103发出的光在***100中横穿的描述与对于从该第一光学元件发出的光横穿光学***100的描述基本上相同，为了描述的简洁和清楚而省略了该描述。
发光设备105发射在有限波长范围内或基本上单一波长的光110。光110基本上是非偏振的或者随机偏振的，并入射在LRD 109的较远表面和反射偏振器108上。其电场矢量的方向平行于反射偏振器108的偏振轴的光透过反射偏振器108成为透射光111，而电场矢量垂直于反射偏振器108的偏振轴的光被反射回去成为反射光112。
LRD 109将反射光112重定向使其回到发光设备105。典型的是，LRD 109将反射偏振器108反射的光重定向到发光元件105，并促进该反射光的再循环。某一反射光112横穿发光元件105，该反射光被重定向，并被透射成为光110。某一反射光112由LRD 109重定向，不横穿发光设备105，而是入射到反射偏振器108上。因此，LRD 109在反射光112从反射偏振器108‘再循环’回到反射偏振器的过程中是有用的。
在发光元件是LED的实施例中，至少一部分重定向的光通过重新组合而被吸收，并由LED重发射作为非偏振光110。但是，要注意，该LED不会再吸收这种光相当大的部分，或者是因为该光横穿LED并在LED105的背面(例如由LRD 109)重定向(例如反射)，或者是因为该光没有横穿该LED而仅仅由LRD 109重定向(例如反射)。
LED 105重发射由其再吸收的反射光子作为非偏振光，该反射光子入射在反射偏振器108上。LED没有吸收且由LRD 109重定向的反射光也入射在反射偏振器108上。并且如上所述，偏振态平行于该反射偏振器的偏振轴的光被透射，其余光被反射。这一过程继续，并且大体上，不通过该反射偏振器透射的光经该过程“再循环”。同样，如果没有LRD 109，可能已经作为从反射偏振器108反射的光而损失的光能至少部分地被收复，并将其再透射成为光111，从而提高了光学***100的效率。
在LED没有再吸收和再发射反射光112的情况下；或者在由该反射偏振器反射之后不改变反射光的偏振态的情况下，其偏振态与反射偏振器的偏振轴正交。除非光的偏振态转换为平行于偏振器的轴，否则该光再次由反射偏振器108反射。任选的是，为了透射该光的至少一部分，可将四分之一波片(QWP)113置于反射偏振器108和LRD 109之间。因此，在反射偏振器108发出的正交偏振态的光两次横穿QWP 113之后，该偏振态的光在上述再循环之后由反射偏振器108透射。
反射偏振器108透射的光入射在元件104上。要注意，第二和第三光学元件102和103也有助于将偏振光信号转换成为输出信号114。从每个光学元件101、102和103发出的光具有相同的偏振。此外，输出信号114可以是三个输出信号(每个光学元件输出一个)，这三个输出信号从元件104输出，每个输出信号都是偏振的，并且每个都具有可以与其他任一个输出信号的波长范围不相同的特定波长范围。
如前面引用的，例如，光学元件104是二向色立方体，其组合来自光学元件101-103的不同波长的三个光束。最终的混合输出光束(输出光束114)具有基本上规定的偏振。此外，也可以组合来自多于三个光源的光，每个光源都发出与其他光的波长不同的光，或者发出不同波长范围的光。这能够利用多个二向色立方体或者二向色元件的其他布置来实现。
有利的是，光学***100能够通过光的再循环而更有效地透射所需偏振态的光。在上述实施例中，发光元件105-107发射非偏振光或随机偏振光。此外，这些实施例提高了每个发光元件的效率，即使最开始是非偏振的或仅仅是部分偏振的也是如此。
图2是依照实施例的光学***200。该光学***200在诸如LCD***的应用中是特别有用的，其中光学***200的输出光为偏振光是有利的。许多元件及其功能与结合图1的实施例中所描述的元件相似或基本上相同。就有效方面来说，为了清楚，在图2的实施例的描述中，不再重复对相同元件及其功能的多余描述。
光学***200包括第一光学元件201、第二光学元件202和第三光学元件203。每个光学组件包括置于复合抛物形聚光器(CPC)212中的LED 211。LED 211也可以是如上述临时申请中所描述的LED阵列。还要注意，通过“较大的”LED芯片可以实现更大的流明输出。在一个实施例中，光学元件201、202和203的LED 211发射不同波长范围和不同波长的光，因此有不同的颜色。更特别的是，一个LED发出绿光，一个LED发出红光，一个LED发出蓝光。这使得在LCD材料对光进行调制之后在显示面(例如电视屏幕)上形成图像。当然，根据给定光学***的需要，LED可以发射其他和额外的颜色(波长)。
如图所示，每个光学元件201、202和203都具有置于与LED 211相对的表面上的反射偏振器204。反射偏振器204透射一种线性偏振态的光并反射与透射的光正交的线性偏振态的光。该反射偏振器的类型和功能如结合图1的实施例所描述的。光学元件201、202和203的一个或多个任选地包括置于反射偏振器204和CPC 212的表面之间的QWP205，以提高来自LED的所需定向的偏振光的耦合效率。此外，QWP的功能详情如上面结合图1的实施例所描述的。
每个CPC 212用于按照与前述非常相同的方式来重定向反射光。CPC 212是光学领域已知的元件。例如，CPC 212可以属于上面引用的临时申请所描述的类型。实用的是，一个或多个CPC 212基本上是实心的，并由适当的光学等级电介质制成，该光学等级电介质如光学等级玻璃。可替换的是，一个或多个CPC 212可以基本上是空心的，其具有反射表面，用以使光朝反射偏振器204的方向向回反射，并且如果合适的话将光反射到QWP205。要注意，如果CPC 212由如所述的电介质制成，那么至少在接近LED的区域中的表面上提供反射材料可能是很有用的，以此来提高CPC 212的效率。该反射表面将按照与前述类似的方式促进从反射偏振器205反射回到LED 211和/或CPC 212的表面上的光的再次反射。
光学***200包括光学元件214，如上所述，光学元件214例如是二向色立方体。当然，该光学元件可以是上述实现波长组合的二向色元件的一个或多个。光学***200还包括用于耦合来自光学元件214的光的积分棒206，该积分棒例如是二向色立方体，或者是如上面引用的二向色元件的组合。来自该积分棒的光入射在中继透镜207上，然后入射在偏振光分束器208上。然后该分束器208将光反射到LCOS板209或类似的LCD设备上。LCOS板209对该光进行调制，并将其选择性地透射到显示设备(未示出)的投影透镜210上。
要注意，该积分棒206可以属于上面引用的、在美国专利US5146248临时申请以及上面引用的实用申请中描述的那种类型，这些引用的专利已经转让给了本发明的受让人。所引用的专利的公开内容特别在此引入作为参考。此外，要注意，中继透镜207、偏振光分束器208、LCOS板209、投影透镜210以及它们在LCD投影***中的功能都是公知的，并且同样地，本文中不对其作进一步的讨论。
依照实施例，第一光学元件的LED 211发出红光215，第二光学元件202的LED 211发出绿光216，第三光学元件的LED发出蓝光217。LED发出的光是非偏振的，该光的偏振分量平行和垂直于各自光学元件的反射偏振器205的偏振轴。平行于该偏振轴起偏的光透射到二向色立方体，并进一步透射到光学***200中。所有其他的光反射。某一这种反射光入射在LED 211上，如上所述被吸收并重发射为非偏振光。然后该重发射的光入射在反射偏振器上，如前所述继续这一过程。
此外，LED 211不吸收/重发射的光的偏振态与该反射偏振器的偏振轴正交。该光由CPC 212反射，其绝大部分入射到邻近反射偏振器204的CPC 212的表面上。由于该光已经两次横穿QWP205，因此其偏振态旋转90°，并且现在平行于反射偏振器204的轴。同样，因偏振向量的定向而在一开始反射的光的大部分现在透射到光学元件214，并为了进一步的处理而透射到该光学***的其他元件。
依照图1和2的实施例，不需要的偏振光有效地再循环回到发光器，因此发光器的净输出以所需的偏振透射到光学***，而不会损失掉来自发光器的至少一半的光能。这些实施例的这些和其他好处对已经获得本发明公开内容的利益的本领域技术人员来说是显而易见的。
图3示出依照本发明的实施例的光学元件300。该光学元件300包括CPC 301，其具有置于其中的发光元件302。元件302例如是LED、LED阵列或其他合适的设备或设备阵列。LED阵列可以是如引用的临时申请中所描述的LED阵列。CPC 301例如是由适当的光学等级材料制成的基本上实心的元件，所述光学等级材料如光学等级玻璃或其他电介质。表面303的至少一部分是反射的，其具有置于其上的适当材料。任选的是，光学元件300可具有反射偏振器305或QWP 304，或者兼有两者。这些元件如上所述，并且对于改进在方向306上的所需偏振态的光的透射效率是有用的。其好处在前面进一步详细地描述了。
显然，该光学元件可以用作图1和2的实施例的光学元件。此外，要注意，光学元件300一般也可用于提高其他应用中的发光设备302的耦合效率。例如，在一个实施例中，QWP 304和反射偏振器305是预料之中的，该发光元件发出的偏振光，不论是偏振的、非偏振的还是随机偏振的，都可以比不使用CPC 301的情况下，适合于更有效地在可接收的角度之内耦合到另一个光学元件(未示出)。此外，光学元件300是组装的设备，其很容易用在一个***中，并包括一些集成光学***。
已对本发明进行了这样的描述，很明显，获得本发明公开内容的利益的本领域普通技术人员能够以许多方式来改变本发明。并不认为这些改变是背离本发明的精神和范围的，如本领域技术人员显而易见的这种修改意在包括在随附的权利要求书及其合法的等效方案中。

Claims (23)

1.一种光学***，包括：
至少一个光源，该光源基本上发射处于基本上随机偏振态或非偏振态的特定波长范围的光；
至少一个反射偏振器，与该至少一个光源耦合；以及
至少一个元件，该元件将该反射偏振器反射的光的一部分重定向通过该至少一个光源，并回到该至少一个反射偏振器，
其中在该至少一个光源和该至少一个元件之间基本上不存在光程。
2.如权利要求1所述的光学***，其中该至少一个光源置于该元件中。
3.如权利要求2所述的光学***，其中该至少一个光源嵌入在该元件的材料中。
4.如权利要求3所述的光学***，其中该至少一个元件基本上是实心的。
5.如权利要求1所述的光学***，进一步包括置于该至少一个反射偏振器和该至少一个元件之间的四分之一波片(QWP)。
6.如权利要求1所述的光学***，其中该至少一个反射偏振器置于该至少一个元件的表面上。
7.如权利要求1所述的光学***，其中该至少一个元件是复合抛物形聚光器(CPC)。
8.如权利要求1所述的光学***，进一步包括邻近该至少一个光学元件设置的波长组合器。
9.如权利要求8所述的光学***，进一步包括积分棒，与液晶显示(LCD)***光学耦合。
10.如权利要求5所述的光学***，其中由该至少一个反射偏振器反射的光的另一部分由该元件反射回到该至少一个反射偏振器。
11.如权利要求8所述的光学***，其中该波长组合器从基本上由下面元件组成的组中选择，所述组为：二向色立方体；多个二向色立方体；和多个二向色元件。
12.如权利要求1所述的光学***，其中该至少一个光源是发光二极管的阵列。
13.如权利要求1所述的光学***，其中该至少一个光源是单个LED。
14.如权利要求1所述的光学***，进一步包括使光重定向的多个元件，每个元件都包括：该至少一个光源中的至少一个；以及该至少一个反射偏振器中的一个。
15.一种使光再循环以提高光学***效率的方法，该方法包括：
提供至少一个反射偏振器和至少一个非偏振或随机偏振光的光源，其中反射偏振器中一个与每个非偏振或随机偏振光的光源耦合；
使从该反射偏振器反射的一部分光重定向通过该光源，并回到该反射偏振器，该反射偏振器透射特定偏振态的光，并将其余的光反射到该元件，其中在该反射偏振器和该元件之间基本上不存在光程。
16.如权利要求15所述的方法，该方法进一步包括使至少一部分反射光起偏为特定偏振态。
17.如权利要求15所述的方法，该方法进一步包括组合来自至少两个非偏振或随机偏振光的光源的光。
18.如权利要求16所述的方法，该方法进一步包括将特定偏振态的光偏振而定向到液晶设备。
19.一种光学组件，包括至少一个发光元件，所述发光元件置于一个光学元件中，该光学元件将从该元件一端反射的光重定向，返回通过该发光设备并从该一端射出。
20.如权利要求19所述的光学组件，其中该发光元件发射基本上有限波长范围内的随机偏振光或非偏振光。
21.如权利要求19所述的光学组件，其中该至少一个发光元件从基本上由下列元件组成的组中选择，所述组为：单个发光二极管和发光二极管阵列。
22.如权利要求19所述的光学组件，其中该发光元件嵌入在该光学元件中。
23.如权利要求19所述的光学组件，其中该光学元件是复合抛物形组合器。
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