專利名稱：時分三色led燈的單片微顯示投影光學引擎及投影裝置的制作方法
技術領域：
本發明專利屬于投影顯示設備，特別涉及一種使用LED光源的單片式微顯示投影光學引擎及使用該光學引擎的投影裝置。
背景技術：
現在實用的三種微顯示(MD)投影光學引擎中，液晶(LCD)投影光學引擎多數采用三片式，硅基液晶(LCOS)投影光學引擎也多數采用三片式，光顯(DLP)投影光學引擎則多數采用單片式。一般說來，三片的性能更好，但成本高得多。投影光學引擎中成像器件采用三片或單片，取決于投影光學引擎的性能價格比定位。
單片微顯示投影的光學引擎如圖1-3所示。圖1是單片液晶投影光學引擎，圖2是單片光顯投影光學引擎，圖3是單片硅基液晶投影光學引擎。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，后者使整個光學引擎發熱，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熱量。UHP燈內加有汞，不利于環保。UHP燈內蒸汽壓高達200大氣壓，殼溫高達1000K，易發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，常見于照明應用，也用于投影光源燈。目前白光技術方案多采用藍光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，色溫也可調節。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引擎中，單片液晶必須配合應用彩色濾色膜，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。
本專利已經注意到上述現狀，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，結構簡化，體小量輕，可靠性高，清晰度高，圖像質量好等優點。
發明內容
本發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節的RGB多芯片組LED白光燈方案，采用單片LCD(或DLP、LCOS)實現彩色投影顯示，因此，這種新穎的投影裝置具有許多優點。
本發明采用時間混色法，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，當三種基色光以足夠快的速度出現時，人眼會感覺到這三種基色光是同時出現的(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字視頻信號必須與三基色光出現的順序嚴格同步，依次加到單片LCD(或DLP、LCOS)上，即當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，否則會出現串色。
圖4是本發明專利使用LED光源燈的單片LCD光學引擎的結構示意圖。LED點陣做成面光源，三個RGB單色LED組成一個白色發光點，發光點頂部有小透鏡，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是本發明專利使用LED光源燈的單片DLP光學引擎的結構示意圖。LED點陣做成面光源，三個RGB單色LED組成一個白色發光點，發光點頂部有小透鏡，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是本發明專利使用LED光源燈的單片LCOS光學引擎的結構示意圖。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。
本發明的優點是1、摒棄了傳統的空間混色法，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馬達)。
3、使用LED點陣做成投影裝置的光源燈，提高光源轉換效率尚有很大潛力；光學引擎結構簡單，總透過率更高。因此，可以有效節約能源。
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RGB色譜的峰值特性，使畫面色彩還原逼真，色溫可調節。
6、LED發光光譜不含紅外和紫外波段，不需要UV--IR濾光鏡片，有效減少了光學引擎的發熱量，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發光實現彩色化，拋棄運動機構，使引擎工作更可靠。
8、采用單片LCD(或DLP、LCOS)方案，有效減少光學器件使用個數，減少光學引擎的尺寸，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投影裝置的典型結構2是采用UHP燈為光源的單片DLP投影裝置的典型結構3是采用UHP燈為光源的單片LCOS投影裝置的典型結構4是采用LED燈為光源的單片LCD投影光學引擎結構5是采用LED燈為光源的單片DLP投影光學引擎結構6是采用LED燈為光源的單片LCOS投影光學引擎結構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合
具體實施實例圖4所示的LED光源LCD投影光學引擎結構中，①為LED點陣，使用并聯法讓每個同色LED同時發光制造面光源效果，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光點。蠅眼矩陣透鏡單元大小不完全為LED芯片尺寸的整數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，連接驅動電路，調制照明光產生圖像。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投影光學引擎結構中，①-④的器件與功能同圖4中單片LCD投影光學引擎結構一樣。⑤為TIR棱鏡，將LED燈的光反射到DLP芯片，并使DLP反射光透過，產生圖象。⑥為DLP芯片，連接驅動電路，驅動信號調制DLP芯片上的小反射鏡偏轉，使照明光反射到投影透鏡產生圖像。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投影光學引擎結構中，①-④的器件與功能同圖4中單片LCD投影光學引擎結構一樣，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，連接驅動電路，驅動信號調制照明光產生圖像。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系確定，是近似值。蠅眼透鏡單元的數目可以根據所用LCD面板(或DLP芯片、LCOS芯片)的大小增加或減少，大小可以根據所使用的芯片和透鏡焦距進行調整。
圖8所示是驅動紅綠藍三色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，關閉紅色視頻信號；圖中高電平②表示綠色LED燈點亮，相應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，關閉綠色視頻信號；圖中高電平③表示藍色LED燈點亮，相應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，關閉藍色視頻信號。
為了調節白平衡，圖8中高電平①②③的持續時間可以作適當的調整，但互相之間不能交叉，也可以通過分別改變紅綠藍LED燈的驅動電流來分別調節紅綠藍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)。
本發明要求液晶的響應速度足夠快，以60Hz刷新率為例，其紅綠藍的總響應時間為16.7ms，每種基色的響應時間為5.5ms，這就要求液晶板(或LCOS)的響應時間小于5.5ms，對DLP而言響應速度不會有任何問題。
權利要求
1.一種采用時序控制的LED(發光二極管)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字視頻信號嚴格順序同步。使用并聯法讓每個同色LED同時發光制造面光源效果
2.在權利要求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，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，同色芯片并聯聯接，光源呈平板形狀。
4.一種單片微顯示投影光學引擎，其特征在于采用在權利要求1、2和3所述的LED投影光源燈，成像器件僅一片，涉及到目前應用的LCD(液晶)、DLP(光顯)和LCOS(硅基液晶)三種成像器件。
5.在權利要求4所述的單片微顯示投影光學引擎中，因為權利要求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馬達。
6.一種單片微顯示投影裝置，其特征在于它采用權利要求1、2和3所述的LED投影光源燈，以及權利要求4和5所述的投影光學引擎。
全文摘要
本發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節的RGB多芯片LED白光燈配合單片LCD(或DLP、LCOS)實現彩色投影顯示。本發明采用時間混色，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，當三種基色光以足夠快的速度出現時，會感覺到三種基色光是同時出現的(即人眼的視覺惰性)。為配合三種基色光順序點亮，要求基色數字視頻信號必須與基色光出現的順序嚴格同步，即當紅色視頻信號加到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 優先權日2004年12月7日
發明者范朝勛, 曾澤君, 賴成軍 申請人:成都泰陽視訊技術有限公司