三基色LED光源装置及使用该装置的液晶投影设备 【技术领域】
本发明涉及照明光源和投影显示技术，尤其涉及一种三基色LED光源装置及使用该装置的液晶投影设备。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种磷化镓(GAP)、氮化镓(GAN)等半导体材料制成的、能直接将电能转化为光能的发光器件。当其内部有一定电流通过时，它就会发光。由于LED发光效率高、寿命长、反应灵敏、不含有毒物质等特点，使得其的应用越来越广泛，尤其是白光LED，被认为是继白炽灯、荧光灯以后的第三代照明光源，被广泛应用在液晶投影装置、手机背光源、显示屏幕等。目前，白光LED的实现方法有多种，其中一种方法是多种单色光混合在一起产生白光，例如：同时使用红光、绿光及蓝光LED芯片的三波长型的白光LED，然而，其均匀性较差，投射到屏幕的光也常常会发生偏移。
中国发明专利申请公开说明书中公开号“CN1310790”名称为“用发光二极管的照明设备”公开了一种光源，包括一个发光二极管阵列以及一个反射筒。其中，发光二极管阵列包含至少一个发光二极管，用于发射呈多种颜色中每一种的光。反射筒具有入射孔，大于该入射孔的出射孔，在该两孔之间延伸的反射的周围壁，以及在该壁中央的该两孔之间延伸的光轴。发光二极管阵列被设置在入射孔中，周围壁从该入射孔到出射孔岔开，并且该周围壁，从光轴看，具有外凸的形状。该周围壁用于使来自该发光二极管阵列的光反射和混合。然而，这种结构的照明设备，均匀性较差，影响液晶投影设备的投射品质，且，混合后的出射光线的发散角较大，难以满足成像液晶面板对照射光小角度入射的要求。
【发明内容】
有鉴于此，须提供一种光亮度均匀，能满足成像液晶面板对照明光小角度入射要求的三基色LED光源装置。
另外，还需提供一种结构简单，光亮度均匀，尺寸小的液晶投影设备。
一种三基色LED光源装置，包括基板、面发光元件、均光棒以及聚光透镜组。其中，面发光元件设置于所述基板上，用于时序发射三种不同颜色的光。匀光棒与所述基板连接并罩住所述面发光元件，用于多次反射所述三种不同颜色的光并混合为均匀的白光。聚光透镜组设置于所述匀光棒影像输出光路上，用于会聚、整形并进一步均匀化所接收到的白光，减小其发散角。
上述的三基色LED光源装置，其中：所述均光棒为中空结构，具有入射孔以及出射孔，其侧壁镀有高反射材料，所述入射孔的面积不小于所述出射孔的面积。
上述的三基色LED光源装置，其中：所述均光棒为长方体形状、圆柱体形状、圆台形状或者喇叭形状。
上述的三基色LED光源装置，其中：所述均光棒的横截面形状为矩形，且，该均匀棒的入射孔面积大于出射孔面积。
上述的三基色LED光源装置，其中：所述聚光透镜组为一个复合抛物面聚光器，其光线入射处设置有凹陷部，该凹陷部的面积与所述均光棒的入射孔面积大致相等。
上述的三基色LED光源装置，其中：所述复合抛物面聚光器与所述均光棒卡合连接；采用卡合连接的方式，有利于使整个光源结构紧凑体积小，以满足投影设备微型化的需要，且，确保复合抛物面聚光器充分完全的接收光，进一步提高光能的利用率。
上述的三基色LED光源装置，其中：所述复合抛物面聚光器的材质为塑料，其外截面形状为椭圆形或者圆形。
上述的三基色LED光源装置，其中：所述面发光元件为方形布置的四个发光芯片：一个红光发光二极管芯片、一个蓝光发光二极管芯片以及两个对角布置的绿光发光二极管芯片。
上述的三基色LED光源装置，其中：所述聚光透镜组为多个顺序排列的玻璃透镜。
一种液晶投影设备，包括偏振分光器、微液晶显示单元、投影透镜以及上述的三基色LED光源装置。偏振分光器用于把非偏振光转化为偏振光。液晶显示单元用于把所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息。投影透镜用于接收携有图像信息的另一偏振光。三基色LED光源装置用于输出所述非偏振光。
上述的液晶投影设备，其中：所述微液晶显示单元为单片液晶面板，设置于所述偏振分光器与三基色LED光源装置的非相邻的一侧。
上述的液晶投影设备，其中：所述微液晶显示单元为两片液晶面板，分别设置于所述偏振分光器的相邻两侧面上。
本发明的三基色LED光源装置，面发光元件时序发出的三种不同颜色的光，通过均匀棒多次反射，混合出均匀性好的白光，经聚光透镜组地会聚以及整形，输出发散角小、均匀性好、准直性好的光斑，提高光能的利用率，满足成像液晶面板对照明光小角度入射的要求。此外，使用上述发光二极管光源装置的液晶投影设备，其光学系统设计过程仅涉及发光二极管光源装置，偏振分光器、微液晶显示单元以及投影透镜，不涉及其他光学器件，结构简单，光亮度均匀，光能利用率高，且，尺寸小，生产成本较低。
【附图说明】
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。
图1为本发明第一实施方式的三基色LED光源装置的立体结构示意图；
图2为图1的面发光元件的结构示意图；
图3为本发明第二实施方式的三基色LED光源装置的立体结构示意图；
图4为本发明第三实施方式的三基色LED光源装置的立体结构示意图；
图5a为本发明第一实施方式的液晶投影设备的立体结构示意图；
图5b为本发明液晶投影设备的平面结构示意图；
图5c为微液晶显示单元照度分布图；
图5d为液晶投影设备输出的角度能量分布图；
图6为本发明第二实施方式的液晶投影设备的立体结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
图1所示为本发明三基色LED光源装置的立体结构示意图，其包括基板10(参阅图2)、面发光元件20、匀光棒30以及聚光透镜组40。其中，面发光元件20设置于基板10上，用于时序发射三种不同颜色的光。均匀棒30与基板10连接，并罩住面发光元件20，用于多次反射该三种不同颜色的光并混合为均匀的白光。聚光透镜组40设置于匀光棒30影像输出光路上，用于会聚、整形并进一步均匀化所接收到的白光，减小均匀棒30出射光的发散角。
本实施方式中，基板10包括电路层(图中未标示)以及设置于电路层下表面的散热层(图中未标示)。
面发光元件20与基板10上的电路层电连接，用于发出180°的光。本实施方式中，面发光元件20时序发射三种不同颜色的光，例如：红光、蓝光以及绿光。参阅图2，该面发光元件20为方形布置的四个发光芯片：一个红光发光二极管芯片R、一个蓝光发光二极管芯片B以及两个对角布置的绿光发光二极管芯片G1、G2。且，红光发光二极管芯片R、绿光发光二极管芯片G1、G2以及蓝光发光二极管芯片B连接有控制器(图中未示出)，用于控制芯片的时序发光。各个芯片工作频率按液晶面板所需光照参数进行设定，以达到显示最好的颜色视觉效果。
本发明其它实施方式中，面发光元件20也可以为其它方式布置的多个发光芯片，只要满足发出三种不同颜色的光即可。
均光棒30为中空结构，具有入射孔以及出射孔，其侧壁镀有高反射材料，其材质为玻璃。本实施方式中，入射孔的面积不小于出射孔的面积，即入射孔的面积是等于(参阅图1、图3)或者大于(参阅图4)出射孔的面积。此外，均匀棒30通过粘贴的方式设置于基板10的表面，与该基板10以及面发光元件20整合成一体，这样整个光源结构紧凑体积小，以满足投影设备微型化的需要，且，确保均匀棒30充分完全的接收光，提高光能的利用率。由面发光元件20发出的三种不同颜色的光，经均匀棒30侧壁的多次反射后，混合为均匀的白光出射。
本发明其它实施方式中，均匀棒30也可以通过卡接的方式与基板10相连接，而均匀棒30也可以为实心结构，通过全内反射原理，也能把由面发光元件20发出的三种不同颜色的光，混合为均匀的白光出射。
本实施方式中，均光棒30为长方体形状，其横截面形状为矩形，且入射孔面积等于出射孔面积。
本发明其它实施方式中，均匀棒30也可以为圆柱体形状，这里不再赘述。
聚光透镜组40为一个复合抛物面聚光器(Compound ParabolicConcentrator，CPC)，其材质为塑料，外截面形状为椭圆形或者圆形。其光线入射处设置有凹陷部401，该凹陷部401的面积与均光棒30的入射孔面积大致相等。复合抛物面聚光器与均光棒30卡合连接。因此，该复合抛物面聚光器与均匀棒30、面发光元件20、以及基板10整合成一体，这样进一步使整个光源结构紧凑体积小，以满足投影设备微型化的需要，且，确保复合抛物面聚光器充分完全的接收光，进一步提高光能的利用率。
因此，本发明的三基色LED光源装置，面发光元件20时序发出的三种不同颜色的光，通过均匀棒30多次反射，混合出均匀性好的白光，经聚光透镜组40的会聚以及整形，输出发散角小、均匀性好、准直性好的光斑，提高光能的利用率，满足成像液晶面板对照明光小角度入射的要求。
图3为本发明第二实施方式的三基色LED光源装置的立体结构示意图。该三基色LED光源装置与图2所示的三基色光源装置的结构基本相同，区别在于，图3所示的聚光透镜组41为多个顺序排列的玻璃透镜，本实施方式中，玻璃透镜的数量为3个，可以逐步减小均匀棒31出射光的发散角。180°的光经均匀棒30以及聚光透镜组41后，其发散角小于-15°～+15°。其中，临近均匀棒31出射孔处的玻璃透镜的入射面面积大于或等于均匀棒31的出射孔面积，用于充分完全的接收光。
本发明其它实施方式中，玻璃透镜的数量也可以一个，两个，或者三个以上，这里不再赘述。
图4为本发明第三实施方式的三基色LED光源装置的立体结构示意图。该三基色LED光源装置与图2所示的三基色光源装置的结构基本相同，区别在于，图4所示的均光棒32的横截面形状为矩形，纵截面形状为梯形，即该匀光棒32为梯形平台形状，其入射孔面积大于出射孔面积。本实施方式中，均光棒32的横截面是指垂直于光轴方向的截面，而纵截面是指平行于光轴方向的截面。
本发明其它实施方式中，均匀棒32的横截面形状也可以为圆形或者椭圆形，即该匀光棒32为圆台形状或者喇叭形状，这里不再赘述。
图5a本发明第一实施方式的液晶投影设备的立体结构示意图，同时参阅图5b至图5d，其中，图5b为本发明液晶投影设备的平面结构示意图；图5c为微液晶显示单元照度分布图；图5d为输出的角度能量分布图。该液晶投影设备包括三基色LED光源装置，偏振分光器50、微液晶显示单元60以及投影透镜70(参阅图5b)。其中，三基色LED光源装置为上述任一实施方式的三基色LED光源装置，该三基色LED光源装置发出非偏振光。
偏振分光器50用于把非偏振光转化为偏振光。本实施方式中，偏振分光器50为立方体形状，由二个三角棱镜胶合而成，在其中间接触面上镀有偏振分光膜层，由该偏振分光膜层形成一个偏振分光面，该偏振分光面可以将非偏振光转换为偏振光并分离出S偏振光和P偏振光。当然，偏振分光器50也可以由其它棱镜胶合而成，只要满足入射的非偏振光被转化为偏振光出射即可。
微液晶显示单元60用于把所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息。本实施方式中，微液晶显示单元为单片液晶面板，设置于偏振分光器50与三基色LED光源装置的非相邻的一侧。当微液晶显示单元60接收到的偏振光为P偏振光时，经过微液晶显示单元的调制后，将转换为携有图像信息的S偏振光。
本发明其它实施方式中，该微液晶显示单元60所接收到的偏振光也可以为S偏振光，经过微液晶显示单元60的调制后，转换为携有图像信息的P偏振光。
当微液晶显示单元60接收到的偏振光为P偏振光时，投影透镜70与微液晶显示单元60相邻设置于偏振分光器50的一侧，换句话说，投影透镜70与微液晶显示单元60分别设置于偏振分光器30的相邻两侧面上。此时，投影透镜70是用于接收携有图像信息的S偏振光。而当微液晶显示单元60接收到的偏振光为S偏振光时，该投影透镜70与微液晶显示单元60相对平行设置于偏振分光器30的一侧，用于接收携有图像信息的另一偏振光，即P偏振光。
参阅图5c，在角度范围在-15°～+15°之间的能量比较平坦，因此，其均匀性也较好。
参阅图5d，其横坐标以及纵坐标分别为微液晶显示单元的长宽尺寸，本实施方式中，微液晶显示单元为LCOS液晶面板，从图中可以看出，三基色LED光源装置输出的光均匀分布在液晶面板中心处。
图6所示为本发明第二实施方式的液晶投影设备的结构示意图。该液晶投影设备与图5a所示的液晶投影设备的结构基本相同，区别在于，图6所示的微液晶显示单元为两片式液晶面板，分别设置于偏振分光器50’的相邻两侧面上。三基色LED光源装置发射出均匀的光经偏振分光器50’后分成为两束偏振光：S偏振光、P偏振光，分别提供给液晶面板61、62。两液晶面板输出图像光经偏振分光器50’后再合成为一束光，从投影镜头70’输出到外部屏幕。
因此，本发明的液晶投影设备中，三基色LED光源装置发射出发散角小、均匀性好的白光经偏振分光器分光后，提供给微液晶显示单元，之后，微液晶显示单元调制出图像光从投影镜头输出到外部屏幕，其光学系统设计过程仅涉及三基色LED光源装置，偏振分光器、微液晶显示单元以及投影透镜，不涉及其他光学器件，结构简单，均匀性好，光能利用率高，且，尺寸小，生产成本较低。
以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，例如，均光棒的入射孔的面积也可以小于出射孔的面积，只要满足该匀光棒与聚光透镜组的结合，能使满发光元件发出的三种不同颜色的光被混合出均匀性好，发散角小的白光即可。凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均包含本发明的保护范围内。