CN101451674B - 照明系统及其在视频显示单元中运行的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种照明系统，所述的照明系统包括：由两个或者两个以上的发光二极管LED组成的LED模块，所述的LED用来发射光；两个或者两个以上的微透镜，所述微透镜的数目与所述LED的数目对应且分布在与其对应的LED之后，所述微透镜与对应的LED都近似垂直于穿透两者的同一轴线，所述的微透镜用来分配从所述的LED发射的光在孔径上的分布强度；所述的光在孔径上的分布强度由所述LED模块中的LED的位置决定。本发明提供的技术方案使得视频显示单元的尺寸可以大幅度的降低，并且方便了照明系统的维护，提高了光的传输效率，同时避免了汞弧灯的使用，更有利于环保。

Description

照明系统及其在视频显示单元中运行的方法 

技术领域

本发明属于视频显示技术领域，尤其涉及视频显示器照明的技术。 

背景技术

通常情况下，投影电视和其他的投影显示器需要采用照明系统，如采用照明灯管发光，这些光最终用来产生图像。举例来说，数字光处理(DLP)系统，包括照明系统，利用一个专门的高压汞弧灯作为光源。这种灯给照明系统提供最初的白光，这些光后来被光学元件(如色轮)分裂或者分散为三个原色，即红、绿、蓝(RGB)。此后，RGB光通过另外的光学器件混合后产生彩色图像。在这种照明系统中，光学元件和其他用来进行光分裂或者混合装置的光聚集效率较低，这将影响到图像质量。此外，上述用来进行光分裂或者混合的装置可能占用照明系统较大的空间。因此，这些装置将导致投影电视和其他的投影显示器的尺寸扩大。此外，上述系统中的弧灯的使用寿命较短，可能需要频繁更换。更换弧灯时，需要进行拆卸投影电视和其他的投影显示器的其他部件，操作繁琐。而且，弧灯中使用的汞属于对环境有害的物质。 

因此，有必要设计一种不使用弧灯作为照明源的视频显示装置，并且还能提供高效的照明光源。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种照明系统及其在视频显示单元中运行的方法，旨在解决现有技术中存在的视频显示单元照明系统尺寸过大、维护繁琐的问题。 

本发明是这样实现的，一种照明系统，所述的照明系统包括： 

由两个或者两个以上的发光二极管LED组成的LED模块，所述的LED用来发射光；

两个或者两个以上的微透镜，所述微透镜的数目与所述LED的数目对应且分布在与其对应的LED之后，所述微透镜与对应的LED都近似垂直于穿透两者的同一轴线，所述的微透镜用来分配从所述的LED发射的光在孔径上的分布强度；所述的光在孔径上的分布强度由所述LED模块中的LED的位置决定；所述的两个或者两个以上的微透镜分布于同一平面内，排列成微透镜阵列，设置于所述的LED和孔径之间；所述微透镜阵列的中心区域传输光的效率高于所述微透镜阵列周边区域传输光的效率。 

所述的LED的数目为5个或者7个或者11个。 

所述LED用来发射红色光或者绿色光或者蓝色光。 

所述两个或者两个以上的微透镜在对称线两侧对称分布。 

所述两个或者两个以上的微透镜在对称线两侧不对称分布。 

本发明还提供了一种视频显示单元的照明系统运行的方法，所述的方法包括如下步骤： 

由两个或者两个以上的LED组成的LED模块发射光； 

由分布于同一平面内的两个或者两个以上的微透镜组成的微透镜阵列接收所述LED模块发射的光，所述微透镜的数目与所述LED的数目对应且分布在与其对应的LED之后，所述微透镜与对应的LED都近似垂直于穿透两者的同一轴线，所述微透镜阵列的中心区域传输光的效率高于所述微透镜阵列周边区域传输光的效率；所述LED模块发射的光通过所述微透镜阵列之后在孔径上聚集，所述的光在孔径上的分布强度由所述LED模块中的LED的位置决定；所述孔径将所述的光传输到所述的视频显示单元的光导器件。 

还包括：对所述LED发射的光进行脉冲调制。 

所述的LED发射的光为红色光或者绿色光或者蓝色光。 

所述的LED发射的光被传输到所述微透镜阵列之前，经过准直仪准直。 

所述的光在通过所述微透镜阵列之后，在所述孔径上聚焦之前，还经过透 镜发散。 

本发明还提供了一种视频显示单元，所述视频显示单元包括照明系统，所述的系统包括由两个或者两个以上的LED组成的LED模块、两个或者两个以上的微透镜、成像系统和投影系统，其中： 

所述LED模块的LED用来发射光； 

所述微透镜的数目与所述LED的数目对应且分布在与其对应的LED之后，所述微透镜与对应的LED都近似垂直于穿透两者的同一轴线，所述微透镜用来分配从所述的LED发射的光在孔径上的分布强度；所述的光在孔径上的分布强度由所述LED模块中的LED的位置决定； 

所述成像系统用来根据所述照明系统发射的光成像； 

所述的投影系统用来将图像投射在所述视频显示单元的屏幕上；所述的两个或者两个以上的微透镜分布在同一平面内，排列成微透镜阵列，设置于所述的LED和孔径之间； 

所述微透镜阵列的中心区域传输光的效率高于所述透镜阵列周边区域传输光的效率。 

所述的LED的数目为5个或者7个或者11个。 

本发明克服现有技术的不足，采用LED组成的LED模块替换现有视频显示单元照明系统中的弧灯，并由LED灯与其对应的微透镜的位置决定孔径上光的强度，使得视频显示单元的尺寸可以大幅度的降低，并且方便了照明系统的维护，提高了光的传输效率，同时避免了汞弧灯的使用，更有利于环保。 

附图说明

图1是本发明实施例提供的视频显示单元的原理框图； 

图2是本发明实施例提供的照明系统12的原理框图； 

图3是本发明实施例提供的微透镜组件46的示意图； 

图4是本发明实施例提供的另一微透镜组件70的示意图； 

图5是与图4所示的微透镜组件46对应的LED的示意图； 

图6是本发明实施例流程图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

本发明实施例提供的视频显示单元的原理框图如图1所示，图1中标注为10。视频显示单元10可以是包括一个数字光处理系统(DLP)的投影电视或投影机或类似的视频显示单元。视频显示单元10也可以是包括液晶显示器(LCD)的投影电视，也可以是硅晶投影电视(LCOS)，或者高温多晶硅投影电视(HTPS)。 

视频显示单元10包括照明系统12，该照明系统12用以产生白色或彩色光，供成像系统14产生视频图像。照明系统12包括光学和电子光学元件，这些光学和电子光学元件用来取代传统照明系统中的弧灯。照明系统12包括脉冲调制发光二极管(LED)组件，这些LED组件用来发光，如发射不同强度的RGB光。此外，照明系统12还包括一个光学装置——微透镜组件。该微透镜组件由多个微透镜组成，微透镜的数目与LED的数目对应。微透镜组件用来收集LED发射的RGB光，并用来将这些RGB光传输到孔径(aperture)。每一微透镜在照明系统12内的位置都是特定的，以便将RGB光传输到孔径。此外，每个微透镜在照明系统内的定位都是为了为每一颜色的光提供一个独特的光强度。这个强度由孔径向其他部件提供，如投影或者成像装置。因此，微透镜在照明系统12中的几何位置将决定视频显示单元10中光导器件用以成像的彩色光的水平。本领域的普通技术人员都可以理解，上述的光导器件指的是安装在视频显示单元10中的照明系统12之后的元器件。具体来说，这些元器件包括成像系 统、投影系统、屏幕，以及与之相连的光学器件。 

本发明实施例中照明系统12利用多个发光二极管，而不是传统的弧灯作为光源。换句话说，没有采用灯泡和/或分光元件，如色轮、分色镜、过滤器等，照明系统12将LED发射的光有效混合成不同强度的有色及白光。因此，相对于现有技术的照明系统而言，本发明实施例提供的视频显示单元10的照明系统12的尺寸小于采用弧灯的照明系统。 

如上文所述，照明系统12用来在成像系统14上投影、发光和聚焦。成像系统14利用彩色光在在屏幕上24成像。成像系统14用来产生一个或一个以上像素模式，用来校准像素视频显示单元10的像素偏移。通常来说，成像系统14包括DLP，利用一个或一个以上DMDS产生一个视频图像。此外，成像系统14也可以包括液晶投影系统。本领域的普通技术人员都能够理解，实际应用本发明提供的技术方案时，成像系统并不局限于上述的形式，其它的成像系统也可以适用。 

如图1所示，成像系统14用来将图像投影在投影系统16上。该投影系统16包括一个或者多个镜片和/或透镜，用来将成像系统14生成的图像投射到屏幕24上。 

如图2所示，为本发明实施例提供的照明系统12的原理框图。如上所述，照明系统12包括光生成和采集元件，用来生成有色和/或白光，并将其传递到视频显示单元10的后续元器件。照明系统12包括一个LED模块40，该LED模块40由多个LED 42组成。每一LED 42用来发射红、绿或蓝光。具体实现时，LED 42可以是集成式的，也可以发射出不同于红、绿或蓝的光。LED 42的数量在本发明实施例中为11个，当然也可以多于或者少于11个。 

如果需要特别加重某一种颜色，可以通过在LED模块40中配置不同的LED来实现42。例如，如果需要是视频显示单元10的红色强于蓝色，则可以在LED模块40中配置比蓝色LED更多的红色LED。其他颜色的加重也可以通过这种方式来实现。 

LED模块40采用模组化设计，其中的LED 42的数量可以根据需要调整，每一个LED都相对独立，可以轻易的安装或者拆卸。另外，如果一个或多个LED 42失灵或出现其他故障，视频显示单元10仍可继续工作，尽管在彩色和/或亮度方面会有一些影响。因此，不同于使用弧灯的照明系统，如果弧灯出现故障，整个视频显示单元都不能工作，本发明提供的技术方案使得一个或者多个LED出现故障时，视频显示单元10可以继续工作。本领域的普通技术人员都理解，LED的平均寿命是要远远大于弧灯的平均寿命的，这也是本发明技术方案的优势之一。 

照明系统12还包括多个校准元件或准直仪44，用来提高对LED 42发射光采集的效率。具体实施时，准直仪44可直接连接LED 42，也可接近LED 42设置，还可以环绕LED 42，以便LED 42部分嵌入式准直仪44内部，这样，准直仪44可以最大限度的吸收LED 42所发射出的光。这样做可提高准直仪44采集光的效率，确保大部分LED 42发射的光得到有效利用。 

照明系统12还包括微透镜组件46，该微透镜组件46包括多个光学元件，由多个微透镜组成，其数量与LED模块40中的LED 42对应，每一微透镜都用来采集LED 42或者准直仪44发射的光。此外，在采集到LED 42发射的光之后，微透镜组件46将光传递到设置在其后的透镜48，同时改变光的传输方向，这样可确保将LED 42发射的光最大量的传递到透镜48。透镜48用来将光线聚焦到孔径50，孔径50用来将光线传递到由投影和成像元器件组成的光导器件。 

微透镜组件46用来影响每个LED 42在孔径50上的光强度分布。这种强度可根据每一LED 42中LED模块40的位置决定，并由微透镜组件46相对透镜48和孔径50的方向确定。由此。通过照明系统12内部的微透镜组件46，LED 42发射的光在孔径50上获得的适当的强度，以便成像。如果没有微透镜组件46，LED 42发射的光将不能有效的在孔径50上聚集，从而形成可视图像。 

图3是本发明实施例提供的微透镜组件46的示意图，图3中11个微透镜60 二维排列，分布于同一平面，各个微透镜60相互毗邻堆叠在一起，共有三排。图3中的微透镜60分布于同一个平面，具体实施时，也可以分布于不同的平面。此外，微透镜组件46可定位于对称或不对称于主轴62。需要注意的是，每个LED 42分布于对应的微透镜60之前，如图5所示，为了将需要数量的光从LED42引导到孔径50，每个LED 42都相对对应的微透镜60布置在特定的位置。 

每一对应微透镜60的空间定位确定了从LED 42到孔径50的可用光的量。也就是说，每一LED 42发射的光的强度由LED 42与对应的微透镜60之间的相对位置决定。在本发明实施例中，由微透镜组件46传播并由孔径50聚集的可用光的效率归纳如下表1。 

LED编号	传播可用光的效率
		1	76％
2、3、4、5	58％
		6、7	39％
8、9、10、11	15％

                表1 

如表1和图3所示，从LED发射出来的光越靠近微透镜组件46的中心区域，则传输的效率越高，同理，越靠近微透镜组件46的周边区域，其传输效率越低。 

本发明实施例提供的另一微透镜组件70的示意图如图4所示，包括7个微透镜，此时，照明系统12中的LED也为7个，其中各个部件的工作原理与图3中对应部件的工作原理相同，此不赘述。 

此外，如果需要构建一个特别强化或者淡化某一种或者多种颜色的光在孔径上的强度，表1中所示的传播效率可以用来参考。例如，在一个照明系统中，编号为1、2和3的LED被选择用来发射绿光、编号为4和6的LED被选择用来发射蓝光，编号为5和7的LED被选择发射红光。这样，孔径50的中心 区域将呈现绿光，周边区域将呈现红光和/或蓝光。本领域的普通技术人员都理解，表1中的传输效率数据，也可以用来作为构建其他照明系统的参考，并不局限于上述的照明系统。 

图5是与图4所示的微透镜组件46对应的LED的示意图，如图中所示，LED 42设置于微透镜60之前，每一LED 42与微透镜一一对应，并且微透镜60和与其对应的LED都垂直于轴线80，这样光线将被微透镜60聚集后传输到孔径50。 

具体来说，每一LED都用来发射特定颜色的光，给孔径50提供特定强度的光。如上述的例子中，LED可导致孔径50的中心区域呈现绿色，同理，LED模块中的红色和蓝色LED的也可以导致孔径50的周边呈现对应的颜色的光。因此，孔径50上的光的强度分布由LED模块中的LED的位置决定。 

图6是本发明实施例流程图，包括如下的步骤： 

62、开始； 

64、照明系统中的多个LED发射光； 

66、LED发射的光被传输到微透镜组件(此步骤还可以包括光线准直)； 

68、LED发射的光传输到孔径，通过孔径传播；本步骤中，孔径接收光的强度取决于LED的位置； 

610、光线从孔径传播到光导器件，形成图像； 

612、结束。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (12)

1.一种照明系统，其特征在于，所述的照明系统包括：

由两个或者两个以上的发光二极管LED组成的LED模块，所述的LED用来发射光；

两个或者两个以上的微透镜，所述微透镜的数目与所述LED的数目对应且分布在与其对应的LED之后，所述微透镜与对应的LED都近似垂直于穿透两者的同一轴线，所述的微透镜用来分配从所述的LED发射的光在孔径上的分布强度；所述的光在孔径上的分布强度由所述LED模块中的LED的位置决定；

所述的两个或者两个以上的微透镜分布于同一平面内，排列成微透镜阵列，设置于所述的LED和孔径之间；

所述微透镜阵列的中心区域传输光的效率高于所述微透镜阵列周边区域传输光的效率。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述的LED的数目为5个或者7个或者11个。

3.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述LED用来发射红色光或者绿色光或者蓝色光。

4.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述两个或者两个以上的微透镜在对称线两侧对称分布。

5.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述两个或者两个以上的微透镜在对称线两侧不对称分布。

6.一种视频显示单元的照明系统运行的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

由两个或者两个以上的LED组成的LED模块发射光；

由分布于同一平面内的两个或者两个以上的微透镜组成的微透镜阵列接收所述LED模块发射的光，所述微透镜的数目与所述LED的数目对应且分布在与其对应的LED之后，所述微透镜与对应的LED都近似垂直于穿透两者的同一轴线，所述微透镜阵列的中心区域传输光的效率高于所述微透镜阵列周边区域传输光的效率；

所述LED模块发射的光通过所述微透镜阵列之后在孔径上聚集，所述的光在孔径上的分布强度由所述LED模块中的LED的位置决定；

所述孔径将所述的光传输到所述的视频显示单元的光导器件。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：对所述LED发射的光进行脉冲调制。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的LED发射的光为红色光或者绿色光或者蓝色光。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的LED发射的光被传输到所述微透镜阵列之前，经过准直仪准直。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的光在通过所述微透镜阵列之后，在所述孔径上聚焦之前，还经过透镜发散。

11.一种视频显示单元，其特征在于，所述视频显示单元包括照明系统，所述的系统包括由两个或者两个以上的LED组成的LED模块、两个或者两个以上的微透镜、成像系统和投影系统，其中：

所述LED模块的LED用来发射光；

所述微透镜的数目与所述LED的数目对应且分布在与其对应的LED之后，所述微透镜与对应的LED都近似垂直于穿透两者的同一轴线，所述微透镜用来分配从所述的LED发射的光在孔径上的分布强度；所述的光在孔径上的分布强度由所述LED模块中的LED的位置决定；

所述成像系统用来根据所述照明系统发射的光成像；

所述的投影系统用来将图像投射在所述视频显示单元的屏幕上；

所述的两个或者两个以上的微透镜分布在同一平面内，排列成微透镜阵列，设置于所述的LED和孔径之间；

所述微透镜阵列的中心区域传输光的效率高于所述微透镜阵列周边区域传输光的效率。

12.根据权利要求11所述的视频显示单元，其特征在于，所述的LED的数目为5个或者7个或者11个。

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