專利名稱：時分三色led燈的單片微顯示投影光學(xué)引擎及投影裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利屬于投影顯示設(shè)備，特別涉及一種使用LED光源的單片式微顯示投影光學(xué)引擎及使用該光學(xué)引擎的投影裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在實用的三種微顯示(MD)投影光學(xué)引擎中，液晶(LCD)投影光學(xué)引擎多數(shù)采用三片式，硅基液晶(LCOS)投影光學(xué)引擎也多數(shù)采用三片式，光顯(DLP)投影光學(xué)引擎則多數(shù)采用單片式。一般說來，三片的性能更好，但成本高得多。投影光學(xué)引擎中成像器件采用三片或單片，取決于投影光學(xué)引擎的性能價格比定位。
單片微顯示投影的光學(xué)引擎如圖1-3所示。圖1是單片液晶投影光學(xué)引擎，圖2是單片光顯投影光學(xué)引擎，圖3是單片硅基液晶投影光學(xué)引擎。圖1-3中，①是UHP(超高壓汞燈)光源燈，②是IR-UV濾光板；圖1中的⑥是CF(彩色濾色)膜，圖2和圖3中的③是CW(色輪)及其高速旋轉(zhuǎn)馬達。
作為投影光源燈的UHP(超高壓汞燈)具有不足之處。由于工作原理、材料和制造工藝所限，壽命較短，例如100W燈的壽命10000小時，120W燈4000小時，功率增大，壽命更短。輻射光譜中存在紫外(UV)和紅外(IR)光，前者對含有機成分的液晶片有害，后者使整個光學(xué)引擎發(fā)熱，另加UV-IR濾光板也不能完全消除其影響。一般認為，UHP燈的轉(zhuǎn)換效率可達60lm/w，因為是點光源，須加反射罩(光效約為70％)得到近似平行光束，故光源轉(zhuǎn)換效率僅有40lm/w，此效率已難以再提高，不夠高的效率也引發(fā)熱量。UHP燈內(nèi)加有汞，不利于環(huán)保。UHP燈內(nèi)蒸汽壓高達200大氣壓，殼溫高達1000K，易發(fā)生燈殼爆炸開裂和電極燒毀，可靠性不夠高。
LED燈作為白光源燈，常見于照明應(yīng)用，也用于投影光源燈。目前白光技術(shù)方案多采用藍光LED芯片加YAG熒光粉，投影用白光也采用紅、綠、藍(RGB)多芯片組合的多色混和技術(shù)方案。多芯片組合白光方案的光譜特性更符合投影圖像顯示要求，色溫也可調(diào)節(jié)。上述多芯片組合方案雖能提供紅、綠、藍單色光源，但目前尚無時序控制的投影光源燈的報道。
目前實用的單片微顯示投影光學(xué)引擎中，單片液晶必須配合應(yīng)用彩色濾色膜，單片光顯和單片硅基液晶必須配合使用色輪及其高速旋轉(zhuǎn)馬達。上述兩種濾色方式的光透過率僅有30％，損失掉大部分入射光能。如果光源燈做成時序可控的紅、綠、藍單色光源，且時序與加到成像器件上的視頻信號時序相吻合，則在去掉濾色片、色輪后，投影裝置仍然具有彩色圖像合成的功能。
本專利已經(jīng)注意到上述現(xiàn)狀，因此提出一種采用時序控制LED燈的單片微顯示投影光學(xué)引擎及其投影裝置，它用于目前所有的三種微顯示投影。其主要特點為采用時序控制LED燈和單片成像器件，具有低成本，長壽命，結(jié)構(gòu)簡化，體小量輕，可靠性高，清晰度高，圖像質(zhì)量好等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在所涉及的投影裝置中，采用平板三色LED光源燈取代UHP點光源燈，采用光譜特性和色溫可調(diào)節(jié)的RGB多芯片組LED白光燈方案，采用單片LCD(或DLP、LCOS)實現(xiàn)彩色投影顯示，因此，這種新穎的投影裝置具有許多優(yōu)點。
本發(fā)明采用時間混色法，利用三色LED燈作投影光源，順序地點亮紅綠藍三色LED燈，讓紅綠藍三種基色光依次照射到單片LCD(或DLP、LCOS)上，當(dāng)三種基色光以足夠快的速度出現(xiàn)時，人眼會感覺到這三種基色光是同時出現(xiàn)的(即人眼的視覺惰性)。
為了配合紅綠藍三種基色光順序點亮，要求紅綠藍三基色數(shù)字視頻信號必須與三基色光出現(xiàn)的順序嚴格同步，依次加到單片LCD(或DLP、LCOS)上，即當(dāng)紅色視頻信號加到單片LCD(或DLP、LCOS)上時，必須同時點亮紅色LED燈；當(dāng)綠色視頻信號加到單片LCD(或DLP、LCOS)上時，必須同時點亮綠色LED燈；當(dāng)藍色視頻信號加到單片LCD(或DLP、LCOS)上時，必須同時點亮藍色LED燈，否則會出現(xiàn)串色。
圖4是本發(fā)明專利使用LED光源燈的單片LCD光學(xué)引擎的結(jié)構(gòu)示意圖。LED點陣做成面光源，三個RGB單色LED組成一個白色發(fā)光點，發(fā)光點頂部有小透鏡，出射光線大致為平行光。①為LED點陣平面光源。②為蠅眼矩陣透鏡(MLA)，將LED點陣發(fā)出的光分割成像在后面的蠅眼矩陣透鏡上。③為蠅眼矩陣透鏡和重疊透鏡的復(fù)合透鏡，將第一蠅眼矩陣透鏡的每個單元成像在LCD面板平面上，通過重疊透鏡將各個小單元重合在一起改善照明的均勻性。④為聚焦透鏡，調(diào)整光束的平行度。⑤為單色LCD面板。⑥為投影透鏡。
圖5是本發(fā)明專利使用LED光源燈的單片DLP光學(xué)引擎的結(jié)構(gòu)示意圖。LED點陣做成面光源，三個RGB單色LED組成一個白色發(fā)光點，發(fā)光點頂部有小透鏡，出射光線大致為平行光。①為LED點陣平面光源。②為蠅眼矩陣透鏡(MLA)，將LED點陣發(fā)出的光分割成像在后面的蠅眼矩陣透鏡上。③為蠅眼矩陣透鏡和重疊透鏡的復(fù)合透鏡，將第一蠅眼矩陣透鏡的每個單元成像在DLP芯片平面上，通過重疊透鏡將各個小單元重合在一起改善照明的均勻性。④為聚焦透鏡，調(diào)整光束的平行度。⑤為TIR棱鏡。⑥為DLP芯片。⑦為投影透鏡。
圖6是本發(fā)明專利使用LED光源燈的單片LCOS光學(xué)引擎的結(jié)構(gòu)示意圖。①為LED點陣平面光源。②為蠅眼矩陣透鏡(MLA)，將LED點陣發(fā)出的光分割成像在后面的蠅眼矩陣透鏡上。③為蠅眼矩陣透鏡和重疊透鏡的復(fù)合透鏡，將第一蠅眼矩陣透鏡的每個單元成像在LCOS芯片平面上，通過重疊透鏡將各個小單元重合在一起改善照明的均勻性。④為聚焦透鏡，調(diào)整光束的平行度。⑤為PBS棱鏡。⑥為LCOS芯片。⑦為投影透鏡。
本發(fā)明的優(yōu)點是1、摒棄了傳統(tǒng)的空間混色法，液晶板的顯示面積利用率大幅提高，在同樣面積的基礎(chǔ)上分辨率可以提高三倍。
2、省掉了單片液晶的濾色膜(或單片DLP、LCOS的色輪及其高速旋轉(zhuǎn)馬達)。
3、使用LED點陣做成投影裝置的光源燈，提高光源轉(zhuǎn)換效率尚有很大潛力；光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)簡單，總透過率更高。因此，可以有效節(jié)約能源。
4、LED為低電壓固體器件，可靠性和壽命都有保證，有利于環(huán)境保護。單管LED壽命可以長達50000小時以上，在投影裝置使用中的壽命完全足夠。
5、采用RGB多芯片組合的點陣排列，保證投影系統(tǒng)RGB色譜的峰值特性，使畫面色彩還原逼真，色溫可調(diào)節(jié)。
6、LED發(fā)光光譜不含紅外和紫外波段，不需要UV--IR濾光鏡片，有效減少了光學(xué)引擎的發(fā)熱量，降低引擎噪聲，耗能小，提高液晶片的工作可靠性。
7、時序控制LED發(fā)光實現(xiàn)彩色化，拋棄運動機構(gòu)，使引擎工作更可靠。
8、采用單片LCD(或DLP、LCOS)方案，有效減少光學(xué)器件使用個數(shù)，減少光學(xué)引擎的尺寸，降低了制造成本；有利于小型化，便攜化。


圖1是采用UHP燈為光源的單片LCD投影裝置的典型結(jié)構(gòu)2是采用UHP燈為光源的單片DLP投影裝置的典型結(jié)構(gòu)3是采用UHP燈為光源的單片LCOS投影裝置的典型結(jié)構(gòu)4是采用LED燈為光源的單片LCD投影光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)5是采用LED燈為光源的單片DLP投影光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)6是采用LED燈為光源的單片LCOS投影光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)7是LED燈RGB芯片的排列方式8時序控制圖具體實施下面結(jié)合

具體實施實例圖4所示的LED光源LCD投影光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)中，①為LED點陣，使用并聯(lián)法讓每個同色LED同時發(fā)光制造面光源效果，在點陣排列上單個RGB LED相間排列，順序點亮R、G、B三種顏色的LED芯片，造成LED燈在時間上順序單色照明。圖7中的陰影部分為蠅眼矩陣透鏡單元覆蓋的發(fā)光點。蠅眼矩陣透鏡單元大小不完全為LED芯片尺寸的整數(shù)倍可以更好地改善照明的均勻度。②為蠅眼矩陣透鏡，作用是將LED點陣發(fā)出的光分割成像在第二蠅眼矩陣透鏡上，同時將第二蠅眼矩陣透鏡每個透鏡單元成像在LED點陣平面上。成像情況可以如圖7中陰影部分所示。為了配合液晶片的幅型規(guī)格，透鏡單元的形狀可以做成16∶9或4∶3樣式，以使照明液晶片的光束形狀匹配。圖7中的具體實施實例為16∶9格式。③為蠅眼矩陣透鏡和重疊透鏡的復(fù)合透鏡，將第一蠅眼矩陣透鏡的每個單元成像在LCD芯片的平面上，通過重疊透鏡將各個小單元重合在一起改善照明的均勻性，圖7陰影部分為蠅眼透鏡單元覆蓋的LED光點部分。第一、第二兩片蠅眼矩陣透鏡單元的焦距一樣，重疊透鏡的焦距為它到聚焦透鏡的距離。這個距離為第一、第二兩片蠅眼矩陣距離的k倍。第一第二兩片蠅眼矩陣的距離為他們的焦距，k是LCD面板尺寸與蠅眼矩陣透鏡單元尺寸的比例。④為聚焦透鏡，焦距與重疊透鏡焦距相等，調(diào)整各個蠅眼透鏡單元主光線平行光軸，讓盡可能多的光通過LCD面板，增加光能利用率。⑤為單色LCD面板，連接驅(qū)動電路，調(diào)制照明光產(chǎn)生圖像。⑥為投影透鏡，將圖像放大并投射到投影屏幕上成像。
圖5所示的LED光源DLP投影光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)中，①-④的器件與功能同圖4中單片LCD投影光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)一樣。⑤為TIR棱鏡，將LED燈的光反射到DLP芯片，并使DLP反射光透過，產(chǎn)生圖象。⑥為DLP芯片，連接驅(qū)動電路，驅(qū)動信號調(diào)制DLP芯片上的小反射鏡偏轉(zhuǎn)，使照明光反射到投影透鏡產(chǎn)生圖像。⑦為投影透鏡，將圖像放大并投射到投影屏幕上成像。
圖6所示的LED光源LCOS投影光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)中，①-④的器件與功能同圖4中單片LCD投影光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)一樣，⑤為PBS棱鏡，將LED燈的部分線偏振光反射到LCOS芯片，并使LCOS反射光透過，進入投影透鏡。⑥為LCOS芯片，連接驅(qū)動電路，驅(qū)動信號調(diào)制照明光產(chǎn)生圖像。⑦為投影透鏡，將圖像放大并投射到投影屏幕上成像。
因為考慮到照明光余量，上述鏡片的位置并非嚴格按照倍率關(guān)系確定，是近似值。蠅眼透鏡單元的數(shù)目可以根據(jù)所用LCD面板(或DLP芯片、LCOS芯片)的大小增加或減少，大小可以根據(jù)所使用的芯片和透鏡焦距進行調(diào)整。
圖8所示是驅(qū)動紅綠藍三色LED燈和視頻信號加到單片LCD(或DLP、LCOS)的控制時序圖。圖中高電平①表示紅色LED燈點亮，相應(yīng)的紅色視頻信號加到單片LCD(或DLP、LCOS)上，在低電平期間紅色LED燈熄滅，關(guān)閉紅色視頻信號；圖中高電平②表示綠色LED燈點亮，相應(yīng)的綠色視頻信號加到單片LCD(或DLP、LCOS)上，在低電平期間綠色LED燈熄滅，關(guān)閉綠色視頻信號；圖中高電平③表示藍色LED燈點亮，相應(yīng)的藍色視頻信號加到單片LCD(或DLP、LCOS)上，在低電平期間藍色LED燈熄滅，關(guān)閉藍色視頻信號。
為了調(diào)節(jié)白平衡，圖8中高電平①②③的持續(xù)時間可以作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，但互相之間不能交叉，也可以通過分別改變紅綠藍LED燈的驅(qū)動電流來分別調(diào)節(jié)紅綠藍LED的輸出亮度。為了改善亮度、對比度，也可以在紅綠藍三個脈沖之間加入一個黑場(紅綠藍全為低電平)或白場(紅綠藍全為高電平)。
本發(fā)明要求液晶的響應(yīng)速度足夠快，以60Hz刷新率為例，其紅綠藍的總響應(yīng)時間為16.7ms，每種基色的響應(yīng)時間為5.5ms，這就要求液晶板(或LCOS)的響應(yīng)時間小于5.5ms，對DLP而言響應(yīng)速度不會有任何問題。
權(quán)利要求
1.一種采用時序控制的LED(發(fā)光二極管)投影光源燈，其特征在于所述的LED投影光源燈采用時序控制，光源燈發(fā)出的紅綠藍三基色光脈沖與加到投影成像器件上的三基色數(shù)字視頻信號嚴格順序同步。使用并聯(lián)法讓每個同色LED同時發(fā)光制造面光源效果
2.在權(quán)利要求1所述的LED投影光源燈，在時序控制下，三基色光作用時間可調(diào)，LED投影光源燈在三基色光脈沖之間還可插入輸出白光或者無光輸出。
3.在權(quán)利要求1和2所述的LED投影光源燈，采用LED芯片，同色芯片并聯(lián)聯(lián)接，光源呈平板形狀。
4.一種單片微顯示投影光學(xué)引擎，其特征在于采用在權(quán)利要求1、2和3所述的LED投影光源燈，成像器件僅一片，涉及到目前應(yīng)用的LCD(液晶)、DLP(光顯)和LCOS(硅基液晶)三種成像器件。
5.在權(quán)利要求4所述的單片微顯示投影光學(xué)引擎中，因為權(quán)利要求1、2和3，LCD(液晶)引擎沒有彩色濾色膜，DLP和LCOS引擎沒有色輪及其高速旋轉(zhuǎn)馬達。
6.一種單片微顯示投影裝置，其特征在于它采用權(quán)利要求1、2和3所述的LED投影光源燈，以及權(quán)利要求4和5所述的投影光學(xué)引擎。
全文摘要
本發(fā)明的目的是在所涉及的投影裝置中，用平板三色LED燈取代UHP燈，采用光譜特性和色溫可調(diào)節(jié)的RGB多芯片LED白光燈配合單片LCD(或DLP、LCOS)實現(xiàn)彩色投影顯示。本發(fā)明采用時間混色，利用三色LED燈作光源，順序點亮紅綠藍三色，讓三種基色光依次照射到LCD(或DLP、LCOS)上，當(dāng)三種基色光以足夠快的速度出現(xiàn)時，會感覺到三種基色光是同時出現(xiàn)的(即人眼的視覺惰性)。為配合三種基色光順序點亮，要求基色數(shù)字視頻信號必須與基色光出現(xiàn)的順序嚴格同步，即當(dāng)紅色視頻信號加到LCD(或DLP、LCOS)上時，必須同時點亮紅色LED燈；當(dāng)綠色視頻信號加到LCD(或DLP、LCOS)上時，必須同時點亮綠色LED燈；當(dāng)藍色視頻信號加到LCD(或DLP、LCOS)上時，必須同時點亮藍色LED燈。
文檔編號G02B27/18GK1645250SQ200410081408
公開日2005年7月27日 申請日期2004年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月7日
發(fā)明者范朝勛, 曾澤君, 賴成軍 申請人:成都泰陽視訊技術(shù)有限公司