时分三色LED灯的单片微显示投影光学引擎及投影装置 【技术领域】
本发明专利属于投影显示设备，特别涉及一种使用LED光源的单片式微显示投影光学引擎及使用该光学引擎的投影装置。
背景技术
现在实用的三种微显示(MD)投影光学引擎中，液晶(LCD)投影光学引擎多数采用三片式，硅基液晶(LCOS)投影光学引擎也多数采用三片式，光显(DLP)投影光学引擎则多数采用单片式。一般说来，三片的性能更好，但成本高得多。投影光学引擎中成像器件采用三片或单片，取决于投影光学引擎的性能价格比定位。
单片微显示投影的光学引擎如图1-3所示。图1是单片液晶投影光学引擎，图2是单片光显投影光学引擎，图3是单片硅基液晶投影光学引擎。图1-3中，①是UHP(超高压汞灯)光源灯，②是IR-UV滤光板；图1中的⑥是CF(彩色滤色)膜，图2和图3中的③是CW(色轮)及其高速旋转马达。
作为投影光源灯的UHP(超高压汞灯)具有不足之处。由于工作原理、材料和制造工艺所限，寿命较短，例如100W灯的寿命10000小时，120W灯4000小时，功率增大，寿命更短。辐射光谱中存在紫外(UV)和红外(IR)光，前者对含有机成分的液晶片有害，后者使整个光学引擎发热，另加UV-IR滤光板也不能完全消除其影响。一般认为，UHP灯的转换效率可达60lm/w，因为是点光源，须加反射罩(光效约为70％)得到近似平行光束，故光源转换效率仅有40lm/w，此效率已难以再提高，不够高的效率也引发热量。UHP灯内加有汞，不利于环保。UHP灯内蒸汽压高达200大气压，壳温高达1000K，易发生灯壳爆炸开裂和电极烧毁，可靠性不够高。
LED灯作为白光源灯，常见于照明应用，也用于投影光源灯。目前白光技术方案多采用蓝光LED芯片加YAG荧光粉，投影用白光也采用红、绿、蓝(RGB)多芯片组合的多色混和技术方案。多芯片组合白光方案地光谱特性更符合投影图像显示要求，色温也可调节。上述多芯片组合方案虽能提供红、绿、蓝单色光源，但目前尚无时序控制的投影光源灯的报道。
目前实用的单片微显示投影光学引擎中，单片液晶必须配合应用彩色滤色膜，单片光显和单片硅基液晶必须配合使用色轮及其高速旋转马达。上述两种滤色方式的光透过率仅有30％，损失掉大部分入射光能。如果光源灯做成时序可控的红、绿、蓝单色光源，且时序与加到成像器件上的视频信号时序相吻合，则在去掉滤色片、色轮后，投影装置仍然具有彩色图像合成的功能。
本专利已经注意到上述现状，因此提出一种采用时序控制LED灯的单片微显示投影光学引擎及其投影装置，它用于目前所有的三种微显示投影。其主要特点为采用时序控制LED灯和单片成像器件，具有低成本，长寿命，结构简化，体小量轻，可靠性高，清晰度高，图像质量好等优点。
【发明内容】
本发明的目的是在所涉及的投影装置中，采用平板三色LED光源灯取代UHP点光源灯，采用光谱特性和色温可调节的RGB多芯片组LED白光灯方案，采用单片LCD(或DLP、LCOS)实现彩色投影显示，因此，这种新颖的投影装置具有许多优点。
本发明采用时间混色法，利用三色LED灯作投影光源，顺序地点亮红绿蓝三色LED灯，让红绿蓝三种基色光依次照射到单片LCD(或DLP、LCOS)上，当三种基色光以足够快的速度出现时，人眼会感觉到这三种基色光是同时出现的(即人眼的视觉惰性)。
为了配合红绿蓝三种基色光顺序点亮，要求红绿蓝三基色数字视频信号必须与三基色光出现的顺序严格同步，依次加到单片LCD(或DLP、LCOS)上，即当红色视频信号加到单片LCD(或DLP、LCOS)上时，必须同时点亮红色LED灯；当绿色视频信号加到单片LCD(或DLP、LCOS)上时，必须同时点亮绿色LED灯；当蓝色视频信号加到单片LCD(或DLP、LCOS)上时，必须同时点亮蓝色LED灯，否则会出现串色。
图4是本发明专利使用LED光源灯的单片LCD光学引擎的结构示意图。LED点阵做成面光源，三个RGB单色LED组成一个白色发光点，发光点顶部有小透镜，出射光线大致为平行光。①为LED点阵平面光源。②为蝇眼矩阵透镜(MLA)，将LED点阵发出的光分割成像在后面的蝇眼矩阵透镜上。③为蝇眼矩阵透镜和重叠透镜的复合透镜，将第一蝇眼矩阵透镜的每个单元成像在LCD面板平面上，通过重叠透镜将各个小单元重合在一起改善照明的均匀性。④为聚焦透镜，调整光束的平行度。⑤为单色LCD面板。⑥为投影透镜。
图5是本发明专利使用LED光源灯的单片DLP光学引擎的结构示意图。LED点阵做成面光源，三个RGB单色LED组成一个白色发光点，发光点顶部有小透镜，出射光线大致为平行光。①为LED点阵平面光源。②为蝇眼矩阵透镜(MLA)，将LED点阵发出的光分割成像在后面的蝇眼矩阵透镜上。③为蝇眼矩阵透镜和重叠透镜的复合透镜，将第一蝇眼矩阵透镜的每个单元成像在DLP芯片平面上，通过重叠透镜将各个小单元重合在一起改善照明的均匀性。④为聚焦透镜，调整光束的平行度。⑤为TIR棱镜。⑥为DLP芯片。⑦为投影透镜。
图6是本发明专利使用LED光源灯的单片LCOS光学引擎的结构示意图。①为LED点阵平面光源。②为蝇眼矩阵透镜(MLA)，将LED点阵发出的光分割成像在后面的蝇眼矩阵透镜上。③为蝇眼矩阵透镜和重叠透镜的复合透镜，将第一蝇眼矩阵透镜的每个单元成像在LCOS芯片平面上，通过重叠透镜将各个小单元重合在一起改善照明的均匀性。④为聚焦透镜，调整光束的平行度。⑤为PBS棱镜。⑥为LCOS芯片。⑦为投影透镜。
本发明的优点是：
1、摒弃了传统的空间混色法，液晶板的显示面积利用率大幅提高，在同样面积的基础上分辨率可以提高三倍。
2、省掉了单片液晶的滤色膜(或单片DLP、LCOS的色轮及其高速旋转马达)。
3、使用LED点阵做成投影装置的光源灯，提高光源转换效率尚有很大潜力；光学引擎结构简单，总透过率更高。因此，可以有效节约能源。
4、LED为低电压固体器件，可靠性和寿命都有保证，有利于环境保护。单管LED寿命可以长达50000小时以上，在投影装置使用中的寿命完全足够。
5、采用RGB多芯片组合的点阵排列，保证投影系统RGB色谱的峰值特性，使画面色彩还原逼真，色温可调节。
6、LED发光光谱不含红外和紫外波段，不需要UV--IR滤光镜片，有效减少了光学引擎的发热量，降低引擎噪声，耗能小，提高液晶片的工作可靠性。
7、时序控制LED发光实现彩色化，抛弃运动机构，使引擎工作更可靠。
8、采用单片LCD(或DLP、LCOS)方案，有效减少光学器件使用个数，减少光学引擎的尺寸，降低了制造成本；有利于小型化，便携化。
【附图说明】
图1是采用UHP灯为光源的单片LCD投影装置的典型结构图
图2是采用UHP灯为光源的单片DLP投影装置的典型结构图
图3是采用UHP灯为光源的单片LCOS投影装置的典型结构图
图4是采用LED灯为光源的单片LCD投影光学引擎结构图
图5是采用LED灯为光源的单片DLP投影光学引擎结构图
图6是采用LED灯为光源的单片LCOS投影光学引擎结构图
图7是LED灯RGB芯片的排列方式图
图8时序控制图
具体实施
下面结合附图说明具体实施实例：
图4所示的LED光源LCD投影光学引擎结构中，①为LED点阵，使用并联法让每个同色LED同时发光制造面光源效果，在点阵排列上单个RGB LED相间排列，顺序点亮R、G、B三种颜色的LED芯片，造成LED灯在时间上顺序单色照明。图7中的阴影部分为蝇眼矩阵透镜单元覆盖的发光点。蝇眼矩阵透镜单元大小不完全为LED芯片尺寸的整数倍可以更好地改善照明的均匀度。②为蝇眼矩阵透镜，作用是将LED点阵发出的光分割成像在第二蝇眼矩阵透镜上，同时将第二蝇眼矩阵透镜每个透镜单元成像在LED点阵平面上。成像情况可以如图7中阴影部分所示。为了配合液晶片的幅型规格，透镜单元的形状可以做成16∶9或4∶3样式，以使照明液晶片的光束形状匹配。图7中的具体实施实例为16∶9格式。③为蝇眼矩阵透镜和重叠透镜的复合透镜，将第一蝇眼矩阵透镜的每个单元成像在LCD芯片的平面上，通过重叠透镜将各个小单元重合在一起改善照明的均匀性，图7阴影部分为蝇眼透镜单元覆盖的LED光点部分。第一、第二两片蝇眼矩阵透镜单元的焦距一样，重叠透镜的焦距为它到聚焦透镜的距离。这个距离为第一、第二两片蝇眼矩阵距离的k倍。第一第二两片蝇眼矩阵的距离为他们的焦距，k是LCD面板尺寸与蝇眼矩阵透镜单元尺寸的比例。④为聚焦透镜，焦距与重叠透镜焦距相等，调整各个蝇眼透镜单元主光线平行光轴，让尽可能多的光通过LCD面板，增加光能利用率。⑤为单色LCD面板，连接驱动电路，调制照明光产生图像。⑥为投影透镜，将图像放大并投射到投影屏幕上成像。
图5所示的LED光源DLP投影光学引擎结构中，①-④的器件与功能同图4中单片LCD投影光学引擎结构一样。⑤为TIR棱镜，将LED灯的光反射到DLP芯片，并使DLP反射光透过，产生图象。⑥为DLP芯片，连接驱动电路，驱动信号调制DLP芯片上的小反射镜偏转，使照明光反射到投影透镜产生图像。⑦为投影透镜，将图像放大并投射到投影屏幕上成像。
图6所示的LED光源LCOS投影光学引擎结构中，①-④的器件与功能同图4中单片LCD投影光学引擎结构一样，⑤为PBS棱镜，将LED灯的部分线偏振光反射到LCOS芯片，并使LCOS反射光透过，进入投影透镜。⑥为LCOS芯片，连接驱动电路，驱动信号调制照明光产生图像。⑦为投影透镜，将图像放大并投射到投影屏幕上成像。
因为考虑到照明光余量，上述镜片的位置并非严格按照倍率关系确定，是近似值。蝇眼透镜单元的数目可以根据所用LCD面板(或DLP芯片、LCOS芯片)的大小增加或减少，大小可以根据所使用的芯片和透镜焦距进行调整。
图8所示是驱动红绿蓝三色LED灯和视频信号加到单片LCD(或DLP、LCOS)的控制时序图。图中高电平①表示红色LED灯点亮，相应的红色视频信号加到单片LCD(或DLP、LCOS)上，在低电平期间红色LED灯熄灭，关闭红色视频信号；图中高电平②表示绿色LED灯点亮，相应的绿色视频信号加到单片LCD(或DLP、LCOS)上，在低电平期间绿色LED灯熄灭，关闭绿色视频信号；图中高电平③表示蓝色LED灯点亮，相应的蓝色视频信号加到单片LCD(或DLP、LCOS)上，在低电平期间蓝色LED灯熄灭，关闭蓝色视频信号。
为了调节白平衡，图8中高电平①②③的持续时间可以作适当的调整，但互相之间不能交叉，也可以通过分别改变红绿蓝LED灯的驱动电流来分别调节红绿蓝LED的输出亮度。为了改善亮度、对比度，也可以在红绿蓝三个脉冲之间加入一个黑场(红绿蓝全为低电平)或白场(红绿蓝全为高电平)。
本发明要求液晶的响应速度足够快，以60Hz刷新率为例，其红绿蓝的总响应时间为16.7ms，每种基色的响应时间为5.5ms，这就要求液晶板(或LCOS)的响应时间小于5.5ms，对DLP而言响应速度不会有任何问题。