ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ ЦВЕТОДЕЛИТЕЛЬНУЮ ПАНЕЛЬ ДЛЯ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕНУЖНОГО СВЕТА
ILLUMINATION DEVICE HAVING COLOUR SEPARATING PANEL FOR RECYCLING REDUNDANT LIGHT

Настоящее изобретение имеет отношение к осветительному устройству на основе светоизлучающего диода.
Проекционные системы с высокой яркостью обычно требуют источника освещения, который имеет большой объем и высокую стоимость. Типичные источники освещения используют, например, ртутные лампы высокого давления или, в качестве альтернативы, три светоизлучающих диода (LED), то есть по одному LED для каждого цвета, и дополнительные требования к пространству для дихроичных фильтров для объединения света систем с единственной панелью. Имеется желание уменьшить объем и стоимость источников освещения, например, для использования в компактных формирователях изображения, иногда называемых "карманными проекторами".
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения источник освещения включает в себя LED или матрицу из LED, которые создают свет с короткой длиной волны, например Синий свет. Один или несколько элементов преобразования длины волны, например люминофорные элементы, преобразуют, по меньшей мере, часть света от LED в большие длины волн, например Красный и Зеленый. Дихроичный элемент, помещенный между LED и элементом(ами) преобразования длины волны, пропускает свет от LED и отражает большие длины волн от элемента(ов) преобразования длины волны. Панель выбора цвета выбирает цвета света для создания с помощью осветительного устройства и для повторного использования для другой возможности быть преобразованными элементом(ами) преобразования длины волны или быть отраженными дихроичным элементом. Панель выбора цвета может работать в одной или обеих из пространственной области и временной области.
Фиг.1 и 2 иллюстрируют осветительные устройства в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 иллюстрирует вид сверху цветоделительной панели, которая работает в пространственной области и включает в себя некоторое количество отдельных пикселей, которые пропускают Красный, Зеленый или Синий свет.
Фиг.4 иллюстрирует вид крупным планом работы отдельного пикселя в цветоделительной панели, проиллюстрированной на фиг.3.
Фиг.5 иллюстрирует вид сверху цветоделительной панели, которая работает в пространственной области и включает в себя некоторое количество отдельных полос, которые пропускают Красный, Зеленый или Синий свет.
Фиг.6 иллюстрирует расширенный вид в перспективе цветоделительной панели, которая отражает свет в одном состоянии поляризации и любые нежелательные цвета и пропускает желаемый цвет и состояние поляризации во временной области.
Фиг.7 иллюстрирует расширенный вид в перспективе цветоделительной панели, которая включает в себя некоторое количество полос, которые отражают свет в одном состоянии поляризации и любые нежелательные цвета и пропускают желаемый цвет и состояние поляризации, и работают в пространственной и временной областях.
Фиг.8 иллюстрирует вид сверху цветоделительной панели из фиг.7 и показывает объединенные цвета, созданные цветоделительной панелью, и как полосы могут управляться для прокрутки.
Фиг.9 - график, который иллюстрирует спектры излучений Синего, Зеленого и Красного и поглощений Зеленого и Красного от осветительного устройства.
Фиг.10 иллюстрирует другое осветительное устройство, которое использует систему пяти основных цветов.
Фиг.1 иллюстрирует осветительное устройство 100 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Осветительное устройство 100 допускает обеспечение равномерного освещения и больше 50% выигрыша в эффективности для проекционных систем с единственной панелью путем повторного использования света, отклоненного в начале микродисплеем. Осветительное устройство 100 имеет компактное исполнение (приблизительно 0,5"×0,5"×1,8" с исполнением 0,5"F#1,8) и может снизить стоимость путем использования матрицы из LED, которые создают приблизительно одинаковые длины волн (например, Синий), тогда как традиционные системы требуют разные типы LED для создания разных желаемых цветов света, например Синего, Зеленого и Красного. Кроме того, осветительное устройство 100 обладает высокой яркостью вследствие высокой эффективности повторного использования для света, который не используется сразу.
Как проиллюстрировано на фиг.1, осветительное устройство 100 включает в себя матрицу 102 из LED 104, которые создают синий (или другой коротковолновый) свет и которые показаны смонтированными на подложке 106 и/или радиаторе. LED 104 могут включать в себя фотонные кристаллы для управления моделью углового излучения, чтобы собирать большую часть света в конус, который не больше, например, 45°. В качестве альтернативы, концентратор параболической конструкции (CPC) или прямоугольный преобразователь (RAT), или другое аналогичное оптическое устройство может использоваться для управления моделью углового излучения матрицы 102 из LED 104. Использование фотонных кристаллов является выгодным, поскольку оно уменьшает размер осветительного устройства 100.
Матрица 102 из LED 104 соединяется с оптическим концентратором 108, который может быть твердотельным оптическим концентратором. Оптический концентратор 108 включает в себя дихроичный фильтр 110 на входной поверхности оптического концентратора 108. Дихроичный фильтр 110 пропускает синий свет, но отражает большие длины волн. Керамический диск 112 оптически соединяется с выходной поверхностью оптического концентратора 108. Один или несколько элементов 114A и 114B преобразования длины волны наносятся или прикрепляются к керамическому диску 112. Элементы 114A и 114B преобразования длины волны являются, например, Красным и Зеленым люминофорами, соответственно, или, в качестве альтернативы, люминофором типа алюмоиттриевого граната. Красный люминофор 114A может помещаться перед Зеленым люминофором 114B, то есть ближе к керамическому диску 112, из-за повторного поглощения зеленых спектров излучения некоторыми красными люминофорами, такими как BSSN. Люминофорные экраны могут быть превращены в керамический диск, или, в качестве альтернативы, люминофоры могут наноситься на прозрачную подложку, которая не обязательно должна быть керамической. Порядок элементов 114A и 114B преобразования длины волны также играет роль при повторном использовании. Керамический диск 112 прозрачен для синего светового пучка накачки, а также преобразованного света. Радиатор 113 с внутренней отражающей поверхностью может быть сформирован вокруг керамического диска 112 и может использоваться для опоры керамического диска 112 и элементов преобразования длины волны.
Элементы 114A и 114B преобразования длины волны преобразуют синий световой пучок накачки для создания Красного и Зеленого света. Толщина элементов 114A и 114B преобразования длины волны выполнена так, чтобы пропускалось достаточное количество синего светового пучка накачки, чтобы создать насыщенное Красное, Зеленое и Синее спектральное излучение с хорошим балансом белого для системы, включающей LCD и проекционный объектив. Элементы 114A и 114B преобразования длины волны испускают преобразованный свет в прямом направлении, а также в обратном направлении, то есть обратно по направлению к матрице 102 из LED 104. Дихроичный фильтр 110, однако, отражает и в силу этого повторно использует обратно излученный преобразованный свет.
Коллиматор 116 оптический соединяется с элементами 114A и 114B преобразования длины волны и принимает Красное, Зеленое и Синее спектральное излучение. Цветоделительная панель 120 монтируется на выходе коллиматора 116. Цветоделительная панель 120 может использовать технологию, например, работающую на пропускание LCD или LCOS, которая может повторно использовать неиспользованный свет. Элементы выбора цвета могут при желании встраиваться в панель. Ненужный свет может быть повторно использован в одной из пространственной области, временной области или обеих. Повторное использование во временной области может включать в себя пространственную прокрутку, которая будет обсуждаться ниже. Повторное использование значительно увеличивает выходной сигнал для Красного и Зеленого света. В случае повторного использования Синего света световой пучок накачки будет повторно использоваться для дополнительного преобразования длины волны элементов 114A и 114B преобразования длины волны, посредством этого дополнительно увеличивая яркость света, пропущенного через дисплей. Один или несколько проекционных объективов 118 принимают и проецируют свет от панели 120.
Как описано выше, цветоделительная панель 120 пропускает желаемый цвет и отражает ненужный свет обратно для повторного использования. В одном варианте осуществления цветоделительная панель 120 формирует цвет в пространственной области. Например, цветоделительная панель 120 может быть, например, работающей на пропускание панелью LCOS, которая производится Kopin Corporation of Westboro, штат Массачусетс. В качестве альтернативы цветоделительная панель 120 может использовать другие технологии, например поликремниевую панель с быстрым переключением, в которой вместо использования постоянных цветовых фильтров LCD быстро включается и выключается в сочетании с источником света R,G,B для создания перекрывающихся Красных, Зеленых и Синих изображений на проецируемом изображении.
Фиг.2 иллюстрирует другой вариант осуществления осветительного устройства 150. Осветительное устройство 150 включает в себя матрицу 152 из LED 154, например, на подложке 156. Элемент 164 преобразования длины волны преобразует синий световой пучок накачки для создания Красного и Зеленого света, а дихроичный фильтр 160, который находится между матрицей 152 и элементом 164 преобразования длины волны, пропускает синий световой пучок накачки и отражает Красный и Зеленый свет. Элемент 164 преобразования длины волны может быть сформирован из керамической пластины, иногда называемой в этом документе "люминесцентной керамикой". Радиатор 165 с внутренними отражающими поверхностями может использоваться для опоры люминесцентного керамического элемента 164 преобразования длины волны. Для более подробной информации, относящейся к люминесцентной керамике, которая может использоваться с настоящим изобретением, см. публикацию Патента США № 2005/0269582, которая включается в этот документ путем ссылки. Аналогичное осветительное устройство описывается в Патенте США с порядковым номером 11/463443, "Illumination Device with Wavelength Converting Element Side Holding Heat Sink" под авторством Bierhuizen и др., поданном 9 августа 2006 г., который принадлежит тому же заявителю вместе с данной заявкой и включается в этот документ путем ссылки. В качестве альтернативы, один или несколько элементов преобразования длины волны может наноситься или прикрепляться к прозрачному керамическому диску, который описывается в фиг.1. Коллиматор 116 оптически соединяется с элементом 164 преобразования длины волны и принимает Красное, Зеленое и Синее спектральное излучение. Кроме того, цветоделительная панель 120 монтируется на выходе коллиматора 116 и используется для передачи и повторного использования цветов в одной или обеих пространственной и временной областях.
Фиг.3 и 4 иллюстрируют работу работающей на пропускание панели LCOS, которая функционирует как цветоделительная панель 120. Как проиллюстрировано на фиг.3, панель 200 состоит из некоторого количества отдельных элементов или пикселей 202, которые пропускают Красный, Зеленый или Синий свет. В качестве примера, фиг.3 иллюстрирует три пикселя, которые пропускают Красный свет (пиксель 202R), Зеленый свет (пиксель 202G) и Синий свет (пиксель 202B). Панель 200 состоит из матрицы Красных, Зеленых и Синих пикселей.
Фиг.4 иллюстрирует работу пикселя 202R. Как проиллюстрировано сплошной линией 204, пиксель 202R принимает неполяризованный свет, который содержит Красные, Зеленые и Синие спектральные излучения от коллиматора 116. Когда пиксель 202R становится пропускающим, Красный свет, имеющий одно состояние поляризации, пропускается, как указывается линией 206. Неполяризованный Зеленый и Синий свет отражаются пикселем 202R, как указывается линиями 208 и 210, как и другие состояния поляризации Красного света, как указывается стрелкой 212. Когда пиксель 202R не является пропускающим, отражается весь спектр падающего света. Таким образом, пиксель 202R непрерывно повторно использует Зеленый и Синий свет и повторно использует выбранное состояние поляризации или все состояния поляризации Красного света в зависимости от того, является ли пиксель 202R пропускающим. Зеленый и Синий пиксели 202G и 202B работают аналогичным образом.
Как описано выше, цветоделительная панель 120 может быть работающей на пропускание LCD. Отражающие цветовые фильтры, например, которые производятся Ocean Optics of Dunedin, штат Флорида, могут использоваться вместо поглощающих фильтров. В качестве примера может использоваться фильтр прокручивания, например, как описанный в публикации Патента США № 2006/0187520 под авторством Bierhuizen, поданного 17 мая 2002 г. и опубликованного 24 августа 2006 г., который включается в этот документ путем ссылки.
В другом варианте осуществления цветоделительная панель 120 может создавать цвет в полосатом цветовом шаблоне в отличие от создания цвета в пикселях. Как проиллюстрировано на фиг.5, панель 250 включает в себя некоторое количество отдельных элементов или полос 252, которые пропускают Красный, Зеленый или Синий свет. Фиг.5 иллюстрирует три полосы, которые пропускают Красный свет (полоса 252R), Зеленый свет (полоса 252G) и Синий свет (полоса 252B). Панель 250 состоит из матрицы Красных, Зеленых и Синих полос. Панель 250 создает цвет в пространственной области аналогично показанной на фиг.3 и 4 панели 200, за исключением того, что отдельные цветовые компоненты являются полосами, в отличие от пикселя. Полосы 252 в панели 250 включают в себя отражающий цветовой фильтр, который пропускает один спектр цвета, тогда как другие цвета отражаются. Этот вариант осуществления является подходящим, например, в недорогой системе, например карманных проекторах, поскольку разрешение играет меньшую роль, и такие панели относительно недороги. Отраженный свет повторно используется среди элементов 114A и 114B преобразования длины волны и отражается дихроичным фильтром 110, и имеет другой шанс быть пропущенным через панель, когда свет падает на пиксель соответствующего цвета.
В другом варианте осуществления цветоделительная панель 120 может создавать цвет во временной области, то есть выбранный для пропускания цвет меняется со временем. В качестве примера цветоделительная панель 120 может быть холестерической цветовой панелью 300, например проиллюстрированной в расширенном виде в перспективе на фиг.6, которая отражает свет в одном состоянии поляризации и отражает любые нежелательные цвета и пропускает желаемый цвет и состояние поляризации по всей цветоделительной панели 300. Панель 300 включает в себя отдельно управляемые цветовые фильтры 304, 306 и 308 вместе с отражающим поляризатором 302, например проволочно-решетчатым поляризатором. Каждый из управляемых цветовых фильтров 304, 306 и 308 либо пропускает конкретный цвет света наряду с отражением других цветов, либо пропускает все цвета. В качестве примера фильтр 304 может пропускать Красный наряду с отражением Синего и Зеленого, фильтр 306 может пропускать Зеленый наряду с отражением Красного и Синего, и фильтр 308 может пропускать Синий наряду с отражением Красного и Зеленого. Таким образом, путем выбора одного из фильтров 304, 306 и 308 для пропускания его конкретного цвета и отражения других цветов и выбора оставшихся фильтров как прозрачных панель 300 может управляться для создания Красного, Зеленого или Синего света. Кроме того, отражающий поляризатор 302 пропускает только свет, имеющий желаемое состояние поляризации, и отражает оставшийся свет. Соответственно, свет повторно используется на основе цвета и состояния поляризации.
Создание цвета во временной области обладает преимуществом возврата синего светового пучка накачки в элементы 114A и 114B преобразования длины волны в периоде, когда включены либо Красный, либо Зеленый, посредством этого увеличивая яркость Красного/Зеленого. Кроме того, кроме переключения между насыщенными Красным, Зеленым и Синим спектрами цвета холестерическая цветовая панель 300 также может управляться для пропускания как Синего, так и Красного/Зеленого (или даже Желтого) одновременно, создавая белый источник для ненасыщенных изображений, посредством этого дополнительно увеличивая яркость. Одна цветовая панель, которая может использоваться, производится Rolic Technologies, Ltd. of Allschwil, Швейцария, и описывается в "Advanced Electronic Color Switch for Time-Sequential Projection" под авторством Bachels и др., SID Symposium Digest of Technical Papers, том 32, выпуск 1, стр.1080-1083.
В другом варианте осуществления цветоделительная панель 120 может создавать цвет в объединенной временной и пространственной области. В качестве примера цветоделительная панель 120 может быть полосатой холестерической цветовой панелью 350, например проиллюстрированной в расширенном виде в перспективе на фиг.7. Панель 350 аналогична панели 300 на фиг.6 с отражающим поляризатором и отдельно управляемыми цветовыми фильтрами 354, 356 и 358, например, для Красного, Зеленого и Синего. Управляемые цветовые фильтры 354, 356 и 358, однако, включают в себя некоторое количество независимо управляемых полос 354a, 356a, 358a, которые могут управляться для пропускания конкретного цвета света наряду с отражением других цветов, или пропускают все цвета. Полосы могут управляться для прокрутки, чтобы отдельные цвета, созданные панелью 350, прокручивались, например, вниз, как проиллюстрировано стрелкой 360 на фиг.8, которая иллюстрирует вид сверху панели 350, показывающей объединенные цвета, созданные цветовыми фильтрами 354, 356 и 358. Полосы в фильтрах 354, 356 и 358 могут управляться, чтобы некоторое количество соседних полос в фильтре было отражающим, как проиллюстрировано на фиг.8, или чтобы соседние полосы в фильтре не были отражающими, как проиллюстрировано на фиг.7.
Таким образом, полосатая холестерическая цветовая панель 350 создает цвет в пространственной области, а также во временной области, что преимущественно, поскольку может использоваться с технологиями единственной панели с относительно медленным переключением, наряду с повторным использованием всех трех цветов одновременно. Аналогичное полосатое переключение цвета описывается в WO03098329 и US 2004/0174692, которые включаются в этот документ путем ссылки. Использование полосатой холестерической цветовой панели 350 с осветительным устройством 100/150, однако, лучше по сравнению с описанной в WO03098329 и US 2004/0174692 из-за использования матрицы из LED одинакового типа, элементов 114a/114b преобразования длины волны и дихроичного фильтра 110, что увеличивает эффективность повторного использования.
Фиг.9 - график, который иллюстрирует спектры Синего излучения 402, Зеленого излучения 408 и Красного излучения 410, а также поглощения 404 Зеленого и поглощения 406 Красного от осветительного устройства 100. Спектральная информация на фиг.9 иллюстрирует спектральные кривые поглощения и излучения люминофора и показывает, что Синий свет по большей части будет поглощаться при повторном использовании, а красный/зеленый будут излучаться, но что также некоторая часть повторно использованного зеленого света будет поглощаться красным излучающим люминофором. Таким образом, соотношения между Синим светом и Красным/Зеленым люминофорами нужно уравновешивать для правильной белой точки системы после учета всех факторов повторного использования/поглощения и (пере-)излучения люминофора.
Фиг.10 иллюстрирует другое осветительное устройство 500, которое использует систему пяти основных цветов, чтобы обеспечить более богатые цвета и увеличить яркость. Осветительное устройство 500 включает в себя источник 510 Красного/Зеленого освещения и источник 520 Голубого освещения. Источник 510 Красного/Зеленого освещения включает в себя матрицу 512 Синих LED, элемент 514 концентратора с дихроичным фильтром 515. Элемент 516 преобразования длины волны, который может быть, например, отдельными элементами 516 преобразования длины волны Красного/Зеленого или объединенными элементами, сделанными, например, из алюмоиттриевого граната, помещается между концентратором 514 и коллиматором 518.
Источник 520 Голубого освещения включает в себя матрицу 522 Синих LED, дихроичный фильтр 523, элемент 524 преобразования длины волны Голубого и элемент 526 коллиматора. Источник 520 Голубого освещения обеспечивает достаточно Синего света для создания хорошего баланса белого в созданном свете. Дихроичный фильтр 530 помещается между источником 510 Красного/Зеленого освещения и источником 520 Голубого освещения. Осветительные объективы 533 фокусируют объединенный свет через отражающий поляризатор 534 в переключатель 536 цвета, например FLC LCOS, к проекционным объективам 538. Переключать 536 цвета будет пропускать Синий свет в одном периоде наряду с отражением Голубого, или наоборот. Когда Синий свет повторно используется, он создаст дополнительную поддержку преобразованному Голубому свету.
Хотя настоящее изобретение иллюстрируется по отношению к определенным вариантам осуществления для образовательных целей, настоящее изобретение этим не ограничивается. Могут быть сделаны различные адаптации и модификации без отклонения от объема изобретения. Поэтому сущность и объем прилагаемой формулы изобретения не следует ограничивать вышеизложенным описанием.