采用LED光源灯的单片液晶投影光学引擎及其投影装置 【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光源的单片式液晶投影光学引擎及使用该光学引擎的投影装置。
背景技术
在各种微显示(LCD—液晶，DLP—数字光显，LCOS-硅基液晶)投影光学引擎中，大多采用UHP灯(超高压汞灯)作为光源灯。目前，UHP灯是公认的最好的投影光源灯，但它也具有一系列的不足之处。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灯的寿命4000小时，功率增大，寿命更短。辐射光谱中含有紫外(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，需另加UV-IR滤光板，尚不能完全消除UV-IR的影响。一般认为，UHP灯的转换效率可达60lm/w，因为是点光源，须加反射罩得到近似平行光束，其光效约为70％，故光源转换效率仅有40lm/w，此效率已难以提高，不够高的效率也引发热量。UHP灯内加有汞，故不利于环保。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。目前白光LED主要有三条技术路线：红、绿、蓝(RGB)多芯片组合白光技术，或者称为多色混和技术；单芯片加荧光粉合成白光技术，或者称为波长转换技术；MOCVD直接生长多有源区白光LED技术，或者称为混合集成技术。混合集成技术目前尚未成熟。波长转换技术又分为蓝光芯片加YAG荧光粉，以及近紫外光芯片加RGB三基色荧光粉两种类型。照明应用多采用蓝光LED芯片加YAG荧光粉，这种方法简单，成本低，但其光谱特性与图像显示要求的彩色还原性不符，色温不可调节，因而不是投影光源灯的好方案。
目前实用的液晶投影均采用三片液晶成像器件，通称三片式，如图1所示。图1中，①为UHP灯和冷光反射器，②为冷光滤光片(UV-IR)，③为蝇眼矩阵透镜，④为带重叠透镜的蝇眼矩阵透镜，⑤为偏振变换器(PCA)，⑥为二向色镜(DM)，⑦为聚焦透镜，⑧为LCD板，⑨为合光棱镜(X-Cube)，⑩为投影透镜。三片式结构复杂，成本高，性能价格比不高，推广受到限制；它的体积大，难以做成移动便携式投影装置。
【发明内容】
本发明专利的目的是在所涉及的投影装置中，采用平板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，采用液晶单片式取代液晶三片式。因此，这种新颖的投影装置具有许多优点。
本发明是这样实现的：
图2是本发明专利使用LED光源灯地单片液晶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，经空间混色产生白光照明。②为蝇眼矩阵透镜，将LED点阵发出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以及消除点阵光源的色斑影响。④为聚焦透镜，调整光束的平行度，让尽可能多的光通过LCD面板，增加效率。⑤为彩色滤色膜(CF)。⑥为加有微镜阵列的LCD面板。⑦为投影透镜。
本发明的优点是：
1.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。
2.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。
3.采用RGB多芯片组合成白光的点阵排列，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。
4.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。
5.采用单板LCD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灯为光源的三片式液晶投影装置的典型结构图
图2是采用LED灯为光源的单片液晶投影装置结构图
图3是LED光源矩阵的光点排列方式图
【具体实施方式】
下面结合附图说明具体实施例：
图2所示的LED光源投影光学引擎结构中，①为LED点阵，使用串并联法让每个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，以便形成较均匀的白光效果(见图3)。图3中的阴影部分为蝇眼矩阵透镜单元覆盖的发光点。排列的原则是使每个透镜单元覆盖的RGB光点不会同色重合，这样通过重叠透镜将每个单元的光束重合在一起时有效改善了照明光的色斑现象，另外，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点阵板平面。成像情况可以如图3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3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以及消除点阵光源的色斑影响，图3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是液晶片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，让尽可能多的光垂直照射LCD片，增加光能利用率。⑤为彩色滤色膜(CF)，将白光分解成RGB三个颜色对应到LCD片的RGB三个像素。⑥为带微镜阵列(MLA)的LCD面板，连接驱动电路，驱动信号调制照明光产生图像，微镜阵列会聚光束，使尽可能多的光能避开液晶片中的栅格，透射过液晶。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LED芯片的大小增加或减少，大小可以根据所使用的液晶片和透镜焦距进行调整。