CN100356269C - 发光二极管照明装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可使用于投影机的发光二极管照明装置，以红、绿、蓝三种光谱纯度高的单色发光二极管阵列形成三面发光二极管面板作为投影机的灯源，再以一合光棱镜合并由三个发光二极管面板所产生的光束，并经由一透镜组件输出影像，采用此种发光二极管照明装置作为灯源，除可改善习知投影机采用超高压汞灯而对投影机内其他光学元件产生热辐射伤害的问题，同时也可简化习知投影机内复杂的分光合光系统设计，使投影机达到轻薄的设计。
Description
(1)技术领域
本发明有关一种照明装置，特别是有关于一种使用于投影机作为灯源的发光二极管照明装置。
(2)背景技术
随着多媒体简报的盛行，投影机已成为办公室必备的电脑设备之一，广泛使用于会议以及各种研究教学场所，甚至成为个人家庭播放视听影音的新选择，目前投影机的趋势朝向微小轻量化，高画质、低噪音以及高灯源寿命等特点以满足大众化使用上的便利与需求。
图1是习知一投影机100结构以及光路示意图。其结构主要是由一照明系统、一分光合光系统及一成像系统所组成。照明系统包含一超高压汞灯(UHP mercurylamp，Ultra High Pressure mercury lamp)101、一具抛物面的反射罩(reflector)103、一紫外-红外截止滤镜(ultraviolet-infrared cut filter，UV-IR cut filter)105、一光学积分器(optical integrator)107、以及一偏振光转换系统(polarization conversion system，PCS)113。分光合光系统由一折射镜(reflecting mirror)组115、117、119和121、一聚光镜片(condense lens)组123、125、127、129R、129G和129B、一双色镜(dichroic mirror)组131和133、以及一合光棱镜(X-cube)135所组成。成像系统则由一液晶光阀面板(1iquidcrystal display 1ight valve panel，LCD light valve panel)组137R、137G和137B、一投影镜头(projection lens)139与一投影屏幕141所组成。
照明系统主要的功能是提供投影机100一个稳定的光通量输出(opticalthroughput)，并藉由光路精密的设计，使得此光通量能均匀且有效率地通过整个投影机100。此照明系统的灯源是采用高强度放电弧光灯泡(high-intensitydischarge lamp，HID lamp)形式的超高压汞灯101，搭配具有抛物面形的反射罩103，除可避免超高压汞灯101发出的光向四面八方发散而造成光通量损失的情况，最重要的是此具有抛物面形的反射罩103可利用抛物面的特性，将反射由置于抛物面焦点处的超高压汞灯101发出的光线，进而聚集成一圆形分布的平行光源，让超高压汞灯101产生的光能量被投影机100内其他光学元件充分的利用。反射罩103外则安装了一片紫外-红外截止滤镜105，其目的是吸收超高压汞灯101所发出的光频谱中紫外光以及红外光的部分，只让可见光频谱通过。此外，照明系统内的光学积分器107，其功能除了将反射罩103所反射聚集的平行光束进行空间光强度平均以便产生一光度均匀的光源进入成像系统外，另一功能即是将此圆形分布的光源转换成成像时此所需的光源分布形式，此投影机100的光学积分器107是采用一透镜阵列积分器(lens array integrator)，由一第一透镜阵列109及一第二透镜阵列111所组成，第一透镜阵列109用以分割光源，其中每一个子透镜将光源成像至第二透镜阵列111中相对应的子透镜上，第二透镜阵列则用以叠加光源，将由第一透镜阵列转换的多个矩形光源分布重新叠加处理后，重新聚焦于偏振光转换系统113上。偏振光转换系统113则可将未偏振过的光作偏振，使得光偏振方向完全转换成S偏振或P偏振，以增加光的利用率并提高集光效能，且经由透镜123配合将光源聚集成液晶光阀面板137R、137G和137B所需的大小而成为一均匀分布的光源。
分光合光系统是用以执行分光合光动作，主要是将照明系统产生的可见光进行分离，使经过分离后的红光、绿光及蓝光(即三原色光)进入所对应的液晶光阀面板137R、137G和137B进行影像调变，之后再经由合光棱镜135将液晶光阀面板137R、137G和137B调变后的影像进行合并，再进入投影镜头组139将影像投影至屏幕141产生彩色的影像。分光合光系统内双色镜131，是将超高压汞灯101灯源产生的白光中其红光部分分离出来，经由折射镜117折射并经过聚光镜片129R聚集成符合液晶光阀面板137R大小的光束后，进入液晶光阀面板137R进行影像的调变，以模拟式或是数字式的驱动架构使调变后的光束产生灰阶的效果；双色镜133则将白光中的绿光以及蓝光进行分离，绿光经由聚光镜片129G聚集成符合液晶光阀面板137G大小的光束后，进入液晶光阀面板137G进行影像的调变，蓝光则经由聚光镜片125、折射镜119、聚光镜片127、折射镜121以及聚光镜片129B后进入液晶光阀面板137B进行影像的调变，红色、绿色以及蓝色三原色分别穿透对应的液晶光阀面板137R、137G和137B进行影像调变，之后进入合光棱镜135进行影像合并动作，合并的影像经由透镜组件139消除色差后投影成像于投影屏幕141上。
习知投影机100的照明系统所采用的灯源是高强度放电弧光灯泡形式的超高压汞灯101，由于灯泡内填充的气体为高压的汞，使用时会产生大量的紫外光与红外光，许多投影机100内的光学元件会吸收紫外光的能量，使得光学元件被加热而导致使用寿命降低，同时紫外光也会影响液晶光阀面板137R、137G和137B内由有机材料组成的液晶配向层(LC alignment layer)(图中未示出)，降低含有有机材料的光学元件运作上的稳定度；红外光则是导致投影机100产生热的主要成因，容易使光学元件受热而导致光学元件特性改变，使用超高压汞灯不只增加了投影机100内散热装置(图中未示出)的负荷，也限制了组装时所能选用的光学元件的材质，进而提高了制造以及维修上的成本。
由于超高压汞灯101价格昂贵，产生的热辐射还直接影响超高压汞灯101本身的使用寿命。因此亟需一种稳定、使用寿命长并且不会产生热辐射伤害的照明装置来克服习知投影机100采用超高压汞灯101作为灯源所遭遇的问题。另外，习知投影机100的照明系统所采用的灯源是高强度放电弧光灯泡形式的超高压汞灯101，由于此种超高压汞灯101产生的光频谱在红色频段的光较弱，因此在设计分光合光系统时必须重新考虑红光、绿光以及蓝光的比例才能使输出的影像色彩平衡，更增加了整个投影机100结构上的复杂度，因此亟需一种频谱纯度高且结构简单的照明装置取代习知投影机100所采用的超高压汞灯101。再者，习知投影机100的照明系统由于采用一超高压汞灯101，必须藉由分工合光系统内折射镜组115、117、119和121与双色镜组131和133的配合，将超高压汞灯101所产生的白光分离成红、蓝、绿三道光原色后，再经合光棱镜135合并后输出影像，因此投影机100的光路设计必须十分精准，当投影机100在制造过程中光路组装不良或是运作时遭遇震动或搬运等机械性外力影响时，此复杂的光路设计就容易因为某一光学元件发生位移或者损坏，影响此投影机100的投影品质；因此亟需一改良的投影机，提供一简化的光路结构，减少习知投影机100内光学元件的数量以提高投影机100运作时的可靠度与稳定性。
(3)发明内容
有鉴于上述发明背景中，有关习知投影机的缺点，本发明提供一种发光二极管(light emitting diode，LED)照明装置，其目的之一是克服习知投影机的照明系统因采用超高压汞灯源而产生大量热辐射的问题，避免投影机内其他光学元件受到热辐射的伤害以维持投影机稳定的运作。
本发明的另一目的是提供一种发光二极管照明装置，以发光二极管照明装置取代习知投影机照明系统所采用的超高压汞灯，此发光二极管照明装置使用寿命长，可减少习知投影机必须经常更换灯源所增加的消耗性成本。
本发明的再一目的是提供一种发光二极管照明装置，使用红、绿、蓝三种光谱纯度高的发光二极管阵列作为灯源，然后以一合光棱镜与一透镜组件直接输出影像，改善习知投影机的照明系统与分光合光系统其为了配合超高压汞灯的特性而必须的精密又复杂的光路设计。
为实现上述的目的，根据本发明一方面提供一种发光二极管照明装置，包含：多个发光二极管组件；和 一合光棱镜，是由该多个发光二极管组件所环绕，用以合并该多个发光二极管组件所发出的光束。
根据本发明另一方面提供一种使用发光二极管照明装置的投影机，包含：多个发光二极管组件；多个液晶光阀面板，对应该多个发光二极管组件，用以调变该多个发光二极管组件产生的光束；一合光棱镜，是由该多个发光二极管组件与对应的多个液晶光阀面板所环绕，用以合并该多个发光二极管组件产生的光束经穿透对应的该多个液晶光阀面板进行调变后产生的影像；和一透镜组件，位于该合光棱镜影像输出的光路上，是用以接收该合光棱镜输出的影像，进行色差的消除与成像的动作。
根据本发明又一方面提供一种使用发光二极管照明装置的投影机，包含：多个发光二极管组件；多个单晶硅液晶光阀面板，对应该多个发光二极管组件，用以调变该多个发光二极管组件产生的光束；多个偏振分束器，对应该多个单晶硅液晶光阀面板，用以分离对应的发光二极管组件产生并且入射该对应的单晶硅液晶光阀面板的光束以及经由该对应的单晶硅液晶光阀面板调变后反射出的光束；一合光棱镜，由该多个多个偏振分束器所环绕，用以合并该多个单晶硅液晶光阀面板调变后反射出的光束；和一透镜组件，位于该合光棱镜影像输出的光路上，用以接收该合光棱镜输出的影像，进行色差的消除与成像的动作。
本发明的发光二极管照明装置，以红、绿、蓝三种单色发光二极管阵列形成三面发光二极管面板作为投影机的灯源，与习知投影机照明系统比较，不但增加使用的寿命并使投影机内其他光学元件不致受到灯源所产生的热辐射伤害，可降低投影机维修上的成本。此外，使用三种光谱纯度高的单色发光二极管阵列作为灯源的投影机，简化了习知投影机内照明系统与分光合光系统的架构，直接以一合光棱镜与透镜组件合并由三单色发光二极管阵列灯源所产生的影像，并输出影像，此发明减少了投影机内光学元件的数量，除了可提高投影机的稳定度并且使投影机达到轻薄的设计外，同时也可降低投影机制造上的成本。
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
(4)附图说明
图1是习知液晶投影机的示意图；
图2是本发明发光二极管照明装置的示意图；
图3是使用本发明发光二极管照明装置的液晶投影机的示意图；及
图4是使用本发明发光二极管照明装置的单晶硅液晶投影机的示意图。
(5)具体实施方式
接下来是本发明的详细说明，下述说明中对发光二极管照明装置和使用此发光二极管照明装置的投影机的描述并不包括完整的结构。本发明所沿用的现有技术，在此仅作重点式的引用，以助本发明的阐述。而且下述内文中相关的图示也并未依据实际比例绘制，其作用仅在表达本发明的结构特征。
本发明提供一种发光二极管照明装置，以红、绿、蓝三种单色发光二极管阵列形成三面发光二极管面板作为投影机的灯源，可避免投影机内其他光学元件受到热辐射的伤害，进而降低投影机维修上的成本；此外，使用此发光二极管照明装置的投影机，可简化习知投影机的架构，直接以一合光棱镜合并由三单色发光二极管阵列所产生的光束，再经以一透镜组件输出影像，改善习知投影机的照明系统与分光合光系统其为了配合超高压汞灯的特性而必须的精密又复杂的光路设计，除了可提高投影机的稳定度并且使投影机达到轻薄的设计外，同时也可降低投影机制造上的成本。
参照图2，其是本发明的一较佳具体实施例的发光二极管照明装置200的结构示意图。其主要由一红色发光二极管组件201、一绿色发光二极管组件211、一蓝色发光二极管组件221、一合光棱镜231、一透镜组件233、一光学积分器235与一偏振转换系统241所组成。红色发光二极管组件201是由一红色发光二极管阵列203与一对应的聚光镜片205所组成；绿色发光二极管组件211则由一绿色发光二极管阵列213与一对应的聚光镜片215所组成；蓝色发光二极管组件221也是由一蓝色发光二极管阵列223与一对应的聚光镜片225所组成。由红、绿、蓝三单色二极管阵列201、211和221组成的三组面光源可提供一个稳定的光通量输出，可同时点灯或者以红、绿、蓝序列式点灯的方式有效率地发出光谱纯度高的单色发光二极管阵列光束，经过其对应的聚光镜片205、215和225将光束聚集成适合光棱镜231所需的大小后，进入合光棱镜231进行光束合并，合光棱镜231结合三原色的光束并输出于透镜组件233进行消除色差(chromatic)以及成像的动作，再经过由一第一透镜阵列237与一第二透镜阵列239所组成的光学积分器235进行空间光强度平均而产生一光度均匀的光束并转换成此照明装置所需的光束分布形式，最后均匀的光束进入偏振转换系统241，将未偏振过的光作偏振，使得光偏振方向完全转换成S偏振或P偏振，以增加光的利用率并提高集光效能。
由上所述的分析，若以本发明的发光二极管照明装置200作为投影机的灯源，可简化投影机内部复杂的光路设计，使光学原件数量减少，进而提高投影机的可靠度，也节省制造上的成本；另一方面，使用此发光二极管照明装置200作为投影机的灯源可改善习知超高压因产生热辐射而对其他光学原件造成伤害的问题，使投影机维持正常且稳定的运作。
参照图3，其是本发明的一较佳具体实施例的使用发光二极管照明装置的液晶投影机300结构示意图。其主要由一红色发光二极管组件301、一绿色发光二极管组件311、一蓝色发光二极管组件321、一液晶光阀面板组307、317和327、一合光棱镜331、一透镜组件333、一光学积分器335、一偏振转换系统341与一投影屏幕343组成。红色发光二极管组件301是由一红色发光二极管阵列303与一对应的聚光镜片305所组成。绿色发光二极管组件311则由一绿色发光二极管阵列313与一对应的聚光镜片315所组成。蓝色发光二极管组件321也是由一蓝色发光二极管阵列323与一对应的聚光镜片325所组成。由红、绿、蓝三单色二极管阵列301、311和321组成的三组面光源可提供一个稳定的光通量输出，可以同时点灯或者以红、绿、蓝序列式点灯的方式有效率地发出光谱纯度高的单色发光二极管阵列光束，经过其对应的聚光镜片305、315和325将光束聚集成适合液晶光阀面板307、317和327所需的大小。液晶光阀面板307、317和327则是以模拟式或是数字式的驱动架构使穿透的光束产生灰阶的效果，红色、绿色以及蓝色三原色的光束分别穿透对应的液晶光阀面板307、317和327进行调变后进入合光棱镜331进行影像合并动作，合并的影像经由透镜组件组333进行消除色差及成像的动作，再经过由一第一透镜阵列337与一第二透镜阵列339所组成的光学积分器335进行空间光强度平均而产生一光度均匀的影像以及此投影机300所需的光束分布形式，最后影像经由偏振转换系统341，将影像中未偏振过的光作偏振，使得光偏振方向完全转换成S偏振或P偏振，增加光的利用率，最后影像被投影至投影屏幕343上成像。
由上述本发明的另一较佳具体实施例分析，使用以发光二极管照明装置的液晶投影机300结构，是在发光二极管组件301、311和321与合光棱镜331之间加入对应的液晶光阀面板307、317和327进行影像调变，液晶光阀面板307、317和327以模拟式或者数字式的驱动架构使穿透的光束产生灰阶的效果成为一单色的影像，经由合光棱镜331进行影像合并后输入透镜组件333、光学积分器335与偏振转换系统341进行影像处理后成像至投影屏幕343上，整个投影机300在结构上较习知投影机简单且无须复杂的光路设计。
参照图4，其是本发明的另一较佳具体实施例的使用发光二极管照明装置的单晶硅液晶投影机400结构示意图。其主要由一红色发光二极管组件401、一绿色发光二极管组件411、一蓝色发光二极管组件421、一单晶硅液晶光阀面板(liquid crystal on silicon panel，LCOS Panel)组407、417和427、一偏振分束器(polarizing beam splitter，PBS)组409、419和429、一合光棱镜431、一透镜组件433、一光学积分器435、一偏振转换系统441与一投影屏幕443组成。红色发光二极管组件401是由一红色发光二极管阵列403与一对应的聚光镜片405所组成。绿色发光二极管组件411则由一绿色发光二极管阵列413与一对应的聚光镜片415所组成。蓝色发光二极管组件421也是由一蓝色发光二极管阵列423与一对应的聚光镜片425所组成。由红、绿、蓝三单色发光二极管阵列401、411和421组成的三组面光源发出光谱纯度高的单色阵列光束，经过其对应的聚光镜片405、415和425将光束聚集成适合单晶硅液晶光阀面板407、417和427所需的大小后入射对应的单晶硅液晶光阀面板407、417和427进行调变，但是单晶硅液晶光阀面板407、417和427为反射式液晶光阀面板，其入射与反射路径相同，因此需要搭配对应的偏振分束器409、419和429用以分离入射单晶硅液晶光阀面板407、417和427的光束以及经过单晶硅液晶光阀面板407、417和427调变后反射出的光束，经过调变后的光束进入合光棱镜431进行影像合并动作，合并的影像经由透镜组件组433进行消除色差及成像的动作，再经过由一第一透镜阵列437与一第二透镜阵列439所组成的光学积分器435进行空间光强度平均而产生一光度均匀的影像以及此投影机400所需的光束分布形式，最后影像经由偏振转换系统441，将影像中未偏振过的光作偏振，使得光偏振方向完全转换成S偏振或P偏振，增加光的利用率，最后影像被投影至投影屏幕443上成像。
由以上本发明的较佳具体实施例所述的发光二极管照明装置，以及使用此发光二极管照明装置的液晶投影机与单晶硅液晶投影机此二项较佳具体实施例可得知，本发明的目的是提供一种使用于投影机的发光二极管照明装置，以红、绿、蓝三种单色发光二极管阵列形成三面发光二极管面板作为投影机的灯源，克服习知投影机采用超高压汞灯而产生热辐射的问题，可避免投影机内其他光学元件受到热辐射的伤害，降低投影机维修上的成本；此外，使用此三种光谱纯度高的单色发光二极管阵列作为灯源的投影机，可简化习知投影机内照明系统与分光合光系统复杂的架构，直接以一合光棱镜合并由三单色发光二极管阵列灯源所产生的光束，配合液晶光阀面板组或是单晶硅光阀板组调变光束成为具灰阶的影像后，可经由透镜组件输出影像，使用本发明提出的发光二极管照明装置作为灯源的投影机，不但可减少投影机内光学元件的数量，使投影机达到轻薄的设计，并且也提高了投影机运作时的稳定度与投影品质。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，应理解其中可作各种变化和修改而在广义上没有脱离本发明，所以并非作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变形都将落在本发明权利要求书的范围内。
Claims (7)
1.一种发光二极管照明装置，包含：
多个发光二极管组件；
一合光棱镜，是由该多个发光二极管组件所环绕，用以合并该多个发光二极管组件所发出的光束；
一透镜组件，位于该合光棱镜影像输出的光路上，用以接收该合光棱镜合并该多个发光二极管阵列所发出的光束，进行色差的消除与成像的动作；
一积分器，位于该透镜组件影像输出的光路上，接收该透镜组件输出的影像并做均匀化的处理。
2.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于所述的多个发光二极管组件包含一红色发光二极管组件、一绿色发光二极管组件和一蓝色发光二极管组件。
3.如权利要求2所述的发光二极管照明装置，其特征在于所述的红色发光二极管组件包含一红色发光二极管阵列与一对应的聚光镜片，该聚光镜片安置于该红色发光二极管阵列与该合光棱镜之间。
4.如权利要求2所述的发光二极管照明装置，其特征在于所述的绿色发光二极管组件包含一绿色发光二极管阵列与一对应的聚光镜片，该聚光镜片安置于该绿色发光二极管阵列与该合光棱镜之间。
5.如权利要求2所述的发光二极管照明装置，其特征在于所述的蓝色发光二极管组件包含一蓝色发光二极管阵列与一对应的聚光镜片，该聚光镜片安置于该蓝色发光二极管阵列与该合光棱镜之间。
6.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于所述的积分器包含一第一透镜阵列与一第二透镜阵列。
7.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，还包含一偏振转换系统，位于该积分器影像输出的光路上，是用以减少光能的损耗。
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