CN100590514C - Led投影显示用光源及使用该光源的投影装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED投影显示用光源，它包括三种不同基色的LED发光芯片列阵和固定它们的基底座，且芯片列阵和基底座至少一者的表面带有反射结构以构成光回用装置。反射结构可以是光学镀膜层。在发光芯片的表面镀有多层干涉光学膜层，该光学膜层具有对该发光芯片的发射光谱波段高透过，而对其余波段高反射的特性。而在各发光芯片之间露出的基底座的表面上则镀有对整个可见波段均具有高反射特性的膜层。这些光学膜层可将有光学系统反射回来的光线再反射回去，加以重复利用，从而可提高系统的光学效率。本发明还公开了采用上述光源的投影装置。
Description
技术领域
本发明一般地涉及一种LED(发光二极管)固体光源，具体而言，涉及一种主要用于投影显示的LED固体光源。
背景技术
随着LCoS、DMD等微显示器件出现，投影显示已成为一种重要的新型显示方式。在现有的投影显示系统中的照明光源主要是采用UHP灯(超高压汞灯)、氙灯等，但这些光源都有体积大、功耗高、发热严重、光谱中有害成份(紫外光、红外光)较多、寿命较短、安全性较差等缺点。因此，近年来随着固体光源LED(发光二极管)技术的迅速提高，用LED来取代UHP或氙灯作为投影显示用光源已是这几年的一个重要研究方向，业已有一些实验室的样机问世。
以目前技术，单颗LED的亮度尚不能投影显示的需要。必须采用类似图1那样的多颗红、绿、蓝三种基色的LED列阵，构组成一个投影显示用光源。将这样一个光源与新近发明的彩色LCoS器件(见题为《便携式电子设备》的中国专利申请No.200610083624.X)组合在一起可以组成一个微型化的投影显示系统。该微型化投影显示系统可以集成在手机、笔记本电脑、PDA、手掌式游戏机等便携式电子设备中，具有广阔的应用前景。
在便携式电子设备中的应用，受电池容量的限制，对光能量的充分利用是极其重要的。而目前与彩色LCoS器件相配的光回收利用设计，主要是针对近似点光源系统的，对于更接近面光源的LED列阵就不太适用。
因此，需要一种针对LED列阵光源的光回收利用(即光回用)方法。
发明内容
本发明公开了一种投影显示用光源以及采用该光源的投影装置。本发明的投影显示用光源包括LED发光芯片列阵和固定该列阵的基底座，并且芯片列阵和基底座中至少一者的表面带有反射结构以构成光回用装置。反射结构可以是光学镀膜层。例如，在各LED发光芯片的表面上均镀上多层光学薄膜结构，该薄膜结构具有对该发光芯片发射的光谱高透过，而对其它波段的可见光高反射的特征；和/或在固定这些LED发光芯片的基底座的表面上(除去被这些发光芯片覆盖住的地方)镀上对可见光全波段的高反射膜层。这样，该LED光源就等效于一块反射镜，可将射向它的光线最大限度地反射回光学系统，再加以重复利用。
应用到彩色LCoS投影显示系统，这种带有光回用装置的LED投影显示用光源可以将从彩色LCoS或投影显示系统中的其他元件反射回光源系统的无用光线，再次反射回投影系统作投影用，从而可以大大提高系统的光能利用。
附图说明
图1图示了现有的投影显示用LED光源的平面示意图；
图2图示了本发明的投影显示用LED光源的剖面示意图；
图3图示了在各LED发光芯片上的光学膜层的透射光谱；
图4图示了根据本发明的LED光源用于彩色LCoS投影显示系统的一个实施例；
图5图示了根据本发明的LED光源用于彩色LCoS投影显示系统的另一个实施例；
图6图示了曲面基底座的LED光源示意图。
具体实施方式
下面参考附图说明本发明的具体实施例。
图1图示了一种现有的投影显示用LED光源的平面示意图。由于单颗LED发光芯片的亮度不足以满足投影显示的需要，因而只能采用多颗LED组合的方式来达到此目的。图上例示了用12颗LED发光芯片(红光2-1、绿光2-2、和蓝光2-3各四颗)按一定的排列固定在一块基底座1上，它们发射的光经均化和准直后成为一束近乎准直的白光，可用于投影显示。这些发光芯片之间须留出一定的间隔距离，以保证它们的散热良好。
图2图示了本发明的投影显示用LED光源的剖面示意图。LED发光芯片2镶嵌固定在基底座1上。考虑到光线的回用，因而可采取镶嵌式的固定方式，使发光芯片的表面与基底座的表面基本上在同一平面内，同时也可以方便于芯片的定位。为了实现光回用，芯片2和基底座1中至少一者的表面上带有反射结构。例如，在发光芯片的表面上镀有多层光学干涉膜3，它们是由全介质的高、低折射率交替的多层薄膜，其特征是对于相应的发光芯片发射的光谱具有高透过率，而对于可见光波段的其它光谱则具有高反射率。其透射光谱可如图3所示，曲线101对应于红色发光芯片上的光学膜层的透过率，而曲线102、103则分别对应于绿色和蓝色的发光芯片。须注意的是这些曲线仅是示例，实际的透过率光谱需根据对应的发光芯片的发射光谱特性而调整。可选用的高折射率介质材料包括但不限于：TiO2、ZrO2、ZnS、HfO2、Ta2O5、Nb2O5等，而可选用的低折射率介质材料包括但不限于：SiO2、MgF2、LiF、ThF4、冰晶石等。而在基底座1的表面上(除去被发光芯片2覆盖住的区域)则镀有对可见光全波段均有高反射率的反射膜层4，该膜层可以是具高反射率的金属膜层，如：铝、银、铑等，也可以是全介质的宽带反射膜，或者是金属与介质的组合膜系。关于这些光学薄膜的进一步详细描述，可参见唐晋发、郑权著《应用薄膜光学》。为使这些光学膜层的反射基本上是镜面反射，要求发光芯片和基底座的表面是接近于光学镜面。因此，在镀制这些光学膜前必须对这些表面进行平整化处理。常用的表面平整化手段包括，但不限于：化学机械抛光(CMP)、研磨、模压、复型、纯机械抛光、溶胶凝胶自流平等等。当然，上述膜层3与膜层4可以是单独存在的，不过二者同时存在可以使本发明获得最佳的效果。
这些发光芯片、基底座和光学膜层组合在一起构成本发明的带有光回用装置的LED投影显示用光源10。当然还应包括封装玻璃、相关线路等，因与本发明关系不大，这里作省略，不作详细描述，也不在图中画出。
图4图示了根据本发明的LED光源用于彩色LCoS投影显示系统的一个实施例。其中的楔型光棒12可以是一根透明材料制成的棒体，其四周壁镀有高反射膜，或不镀膜而直接利用材料与空气界面的全反射原理，所述透明材料例如玻璃、塑料、树脂等；光棒12也可以是一条空心的通道，而其四周壁镀有高反射膜层。它的作用主要是利用它的周壁对光线的多次反射，可以对光束的强度和颜色起到均化的作用；另外，由于它的入口小、出口大的楔型结构，可以对发散光束起到部分准直的作用。当由本发明的LED光源10发出的光经该楔型光棒12的多次反射均化并部分准直后，形成一形状、大小均与彩色LCoS器件20有效面相仿的白色光斑，其中的s偏振分量透射过起偏器13，而p偏振分量则被起偏器13反射回去，在经过四分之一波片11两次后被转化成s偏振光，也透过起偏器13。这些s线偏振光再经场透镜14后，被偏振分光棱镜15折射射到彩色LCoS器件20上。这些光的一部分经彩色LCoS器件20的调制后，转换成p偏振光，并带上图像信息，再透射通过偏振分光棱镜15后，被透影物镜16投射出去，作投影显示。而另外那些没经过彩色LCoS器件20调制的光则仍保持为s偏振光，再次被偏振分光棱镜15折射后，射回楔型光棒12。由于本发明的LED光源10能反射绝大部分射入到它表面的光，它此时的作用就相当于一块反射镜，能把那部分反射回来的光再次反射回去，而等效于提高了发光强度。由此可见，采用本发明的LED光源后，可以大大提高光的利用效率。
图5图示了根据本发明的LED光源用于彩色LCoS投影显示系统的另一个实施例。同样，由本发明的LED光源10发射出的光，经楔型光棒12的均化后变成白光，再经场透镜14到达偏振分光棱镜15，被该分光棱镜分成两束光，一束s偏振光照射到彩色LCoS器件20上，另一束p偏振光则照射到另一块彩色LCoS器件30上。分别被彩色LCoS器件20和30调制过的光改变了其原先的偏振状态，并带上图像信息，再经偏振分光棱镜15到投影物镜16投影成象。当彩色LCoS器件20和30上的图像信息是相同的时候，投影出来的是普通的二维图像，但可以提供出比使用单片彩色LCoS器件时更丰富色彩的图像；而当彩色LCoS器件20和30上的图像信息分别对应于左眼视觉和右眼视觉时，则可投影出立体的三维图像。其余那些没有被彩色LCoS器件20和30调制过的光，在分别被彩色LCoS器件20和30反射后，因没有改变其偏振状态，再次经过偏振分光棱镜15后，又被射入楔型光棒12中。同样地，此时本发明的LED光源10的作用相当于一块反射镜，可以将这部分光再次回收利用，从而大大提高整个投影系统的光利用效率。
本发明的LED光源，其基底座的表面形状除了可以是平面外，还可以是曲面或多面体表面，这样可以更有效地对其发出的光进行均化，而且在相同的出射口径时，这种立体结构可以更有利于芯片的散热。图6图示了基底座是曲面时的本发明的LED光源的剖面示意图。图中画出的发光芯片2的表面法线与基底座曲面的表面法线基本一致，但实际使用时，这两者也可以不一致，即两者间可以有一夹角，该夹角的范围例如在0°～45°之间。在存在更多个芯片的情况下，对于各个芯片，该夹角可以相同，也可以不同。但它们的工作原理都与上述的基本相同，这里省略其详细描述。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施例。但是，本领域技术人员应当理解，上述内容只是示例性的，本发明的范围仅由权利要求限定。
Claims (18)
1.一种LED投影显示用光源，包括LED发光芯片列阵和固定该列阵的基底座，其特征在于：所述芯片列阵的表面带有反射结构，所述反射结构包括光学膜层，所述光学膜层具有透过该LED发射的光谱，而反射其它波段光谱的特性。
2.如权利要求1所述的LED投影显示用光源，其中在LED发光芯片表面的光学膜层为全介质多层光学薄膜。
3.如权利要求1所述的LED投影显示用光源，其中在基底座除被LED发光芯片覆盖住的区域外的表面区域上镀有在可见光全波段的高反射光学膜层。
4.如权利要求3所述的LED投影显示用光源，其中在基底座表面所镀的高反射光学膜层为高反射率的金属膜层。
5.如权利要求3所述的LED投影显示用光源，其中在基底座表面所镀的高反射光学膜层为金属与介质的组合膜层。
6.如权利要求3所述的LED投影显示用光源，其中在基底座表面所镀的高反射光学膜层为宽波段反射的全介质多层光学薄膜。
7.如权利要求1所述的LED投影显示用光源，其中各LED发光芯片镶嵌入所述基底座中，使得各LED发光芯片的表面与基底座的表面基本上在同一平面内。
8.如权利要求1所述的LED投影显示用光源，其中各LED发光芯片镶嵌入所述基底座中，而且基底座的表面是一曲面或多面体表面。
9.如权利要求8所述的LED投影显示用光源，其中各LED发光芯片的表面法线与基底座的表面法线有夹角，且夹角的范围在0°～45°之间。
10.一种投影装置，包括LED投影显示用光源，其特征在于，所述投影显示用光源包括LED发光芯片列阵和固定该列阵的基底座，所述芯片列阵的表面带有反射结构，所述反射结构包括光学膜层，所述光学膜层具有透过该LED发射的光谱，而反射其它波段光谱的特性。
11.如权利要求10所述的投影装置，其中在LED发光芯片表面的光学膜层为全介质多层光学薄膜。
12.如权利要求10所述的投影装置，其中在基底座除被LED发光芯片覆盖住的区域外的表面区域上镀有在可见光全波段的高反射光学膜层。
13.如权利要求12所述的投影装置，其中在基底座表面所镀的高反射光学膜层为高反射率的金属膜层。
14.如权利要求12所述的投影装置，其中在基底座表面所镀的高反射光学膜层为金属与介质的组合膜层。
15.如权利要求12所述的投影装置，其中在基底座表面所镀的高反射光学膜层为宽波段反射的全介质多层光学薄膜。
16.如权利要求10所述的投影装置，其中各LED发光芯片镶嵌入所述基底座中，使得各LED发光芯片的表面与基底座的表面基本上在同一平面内。
17.如权利要求10所述的投影装置，其中各LED发光芯片镶嵌入所述基底座中，而且基底座的表面是一曲面或多面体表面。
18.如权利要求17所述的投影装置，其中各LED发光芯片的表面法线与基底座的表面法线有夹角，且夹角的范围在0°～45°之间。
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