CN101453659B

CN101453659B - 照明系统及其在视频显示单元中运行的方法

Info

Publication number: CN101453659B
Application number: CN2007101248042A
Authority: CN
Inventors: 霍尔·托内
Original assignee: Shenzhen TCL New Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen TCL New Technology Co Ltd
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2027-12-04
Also published as: WO2009073041A1; US20100238364A1; US8403495B2; EP2215524A4; CN101453659A; EP2215524A1

Abstract

本发明提供了一种照明系统及其在视频显示单元中运行的方法，所述的照明系统包括：两个或者两个以上的LED模块、两个或者两个以上的透镜元件和两个或者两个以上的成像装置，其中：所述的LED模块包括两个或者两个以上的用来发光的LED；所述的透镜元件设置在所述LED之后，所述透镜元件的数目与所述LED的数目对应，用来调整所述LED发射光的方向，将所述LED发射的光传输到对应的两个或者两个以上的透镜；所述的成像装置各自设置于其对应的透镜元件之后，分别用来根据其对应的透镜元件传输的光形成各自的图像。

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，尤其涉及投影式视频显示器照明系统的技术。

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。很多的图像显示系统，如高温多晶硅电视机(HTPS)或者数字光处理(DLP)系统，都包括照明系统，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。

上述采用汞弧灯作为照明光源的照明系统存在较多的不足，如汞弧灯的寿命较短，需要频繁更换；此外，由于上述的照明系统中，照明系统依靠单一的汞弧灯发光，一旦该汞弧灯出现故障，将导致整个照明系统不可用；此外，上述照明系统中，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，并且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。更换弧灯时，需要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：两个或者两个以上的LED模块、两个或者两个以上的透镜元件和两个或者两个以上的成像装置，其中：

所述的LED模块包括两个或者两个以上的用来发光的LED；

所述的透镜元件设置在所述LED之后，所述透镜元件的数目与所述LED的数目对应，用来调整所述LED发射光的方向，将所述LED发射的光传输到对应的两个或者两个以上的透镜；

所述的透镜元件设置于两个或者两个以上的微透镜组件内，每一微透镜组件内的透镜元件的数目分别与其对应的LED模块中的LED数目对应；所述微透镜组件用于采集LED发出的光，并将光传递到设置在其后的透镜，同时改变光的传输方向，每一微透镜组件中的透镜元件对称于穿透所述微透镜组件和设置在其后的透镜的轴线分布，每一微透镜组件中的透镜元件也可以不对称于穿透所述微透镜组件和设置在其后的透镜的轴线分布，所述透镜元件相对轴线、LED模块和透镜都有其特定的定位，所述定位使得每一透镜元件都能最大限度的采集LED模块中对应的LED发射的光，所述微透镜组件影响每个LED在孔径上的光强度分布；

所述的成像装置各自设置于其对应的透镜元件之后，分别用来根据其对应的透镜元件传输的光形成各自的图像。

所述成像装置和透镜之间设置有偏振元件。

所述的LED用来发射红色光或者绿色光或者蓝色光。

所述的照明系统还包括X-cube，用来将所述两个或者两个以上的成像装置形成的多幅图像组合成单幅图像。

所述的透镜元件用来提高传输到视频显示单元光导器件的光的传输效率。

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

两个或者两个以上包括LED的LED模块发射光；

两个或者两个以上的包括透镜元件的微透镜组件接收所述LED模块发射的光，调整所述光的方向，所述微透镜组件的数目与所述LED模块的数目对应；

根据所述微透镜组件传输的光形成图像，每一微透镜组件传输的光对应一幅图像；

将形成的多幅图像组合成单幅图像，投射在视频显示单元的屏幕上；

所述的透镜元件设置于两个或者两个以上的微透镜组件内，每一微透镜组件内的透镜元件的数目分别与其对应的LED模块中的LED数目对应；所述微透镜组件用于采集LED发出的光，并将光传递到设置在其后的透镜，同时改变光的传输方向，每一微透镜组件中的透镜元件对称于穿透所述微透镜组件和设置在其后的透镜的轴线分布，每一微透镜组件中的透镜元件也可以不对称于穿透所述微透镜组件和设置在其后的透镜的轴线分布，所述透镜元件相对轴线、LED模块和透镜都有其特定的定位，所述定位使得每一透镜元件都能最大限度的采集LED模块中对应的LED发射的光，所述微透镜组件影响每个LED在孔径上的光强度分布。

所述的方法还包括如下步骤：

对所述微透镜组件传输的光进行偏振。

对所述的LED发射的光进行脉冲调制。

所述LED发射的光包括红色光、绿色光和蓝色光。

所述的微透镜组件接收所述的LED发射的光之前还包括，对所述的LED发射的光进行准直。

所述的微透镜组件调整所述光的方向具体包括：所述的微透镜组件中的透镜元件接收其对应的LED发射的光，并将所述的光传输到透镜。

本发明还提供了一种视频显示单元，所述的视频显示单元包括照明系统、成像系统和投影系统，所述的照明系统包括两个或者两个以上的LED模块、两个或者两个以上的透镜元件和两个或者两个以上的成像装置，其中：

所述的LED模块包括两个或者两个以上的用来发光的LED；

所述的成像装置各自设置于其对应的透镜元件之后，分别用来将其对应的透镜元件传输的光形成各自的图像；

所述的成像系统用来根据所述照明系统发射的光形成图像；

所述的投影系统用来将所述成像系统形成的图像投影在所述视频显示单元的屏幕上。

所述成像装置和透镜之间设置有偏振元件。

所述LED发射的光包括红色光、绿色光和蓝色光。

所述视频显示单元还包括X-cube，用来将所述的成像装置形成的多幅图像组合成单幅图像。

本发明克服现有技术的不足，采用由多个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，并且可以根据需要设置多个LED模块及其对应的透镜元件，以对应多个成像装置，形成多幅图像，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；此外，本发明实施例提供的照明系统还可以适用于有多个成像装置的投影电视等显示单元。

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带有多个成像系统的照明系统的原理框图；

图4是本发明实施例提供包括微透镜组件的照明系统示意图；

图5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可由多个子照明系统组成，如HTPS中应用的照明系统。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透镜元件组成，透镜元件的数目与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)。通过这种方式，照明系统12可以高效的将其发射的光传输到视频显示单元10的光导器件。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光及白光。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。本领域的普通技术人员都可以理解，本发明实施例所述的成像系统可能包括多个子成像系统，如HTPS所使用的成像系统一样。如图3所示，成像系统14内的多个成像装置都对应各自的照明光源，这些照明光源与照明系统12中的类似。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。每一个LED发射的光被调制为特定频率的脉冲波。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。具体应用本发明提供的技术方案时，照明系统12可以包括多个LED模块，每个LED模块中的LED的数量由设计需要、操作标准或者成本方面的因素所决定。

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，如果需要视频显示单元10的红色色调强于蓝色的色调，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，由多个微透镜或者透镜元件组成，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LED42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带有多个成像系统的照明系统的原理框图，照明系统70包括多个图2所示的照明系统12中的元件。照明系统70用于带有多个成像装置的视频显示单元，这种视频显示单元可以包括HTPS系统或者大的投影系统，这种大的投影系统用来投影非常大的图像，如剧院、电影院或者类似场所使用的图像。

如图3所示，照明系统70包括3个如图2所示的LED模块40的模块72、74和76，本实施例中的LED模块的数量仅仅作为参考，实际应用本发明技术方案时，LED模块的数目可能不同于本实施例中的数目，具体数目与视频显示单元的成像装置的数目对应。每个LED模块都包括多个如图2所示的LED。需要注意的是，每个LED模块中的LED的数目并不一定一样，图3中分别用M、N和Q表示三个LED模块中的LED数目。

本实施例中，每个LED模块用来发射特定颜色的光，如，LED模块72用来发射红色光，LED模块74用来发射绿色光，LED模块76用来发射蓝色光。当然，实际应用时，LED模块也可以用来发射不同于红色或者绿色或者蓝色的光，此外，同一个LED模块中的不同LED还可以发射不同颜色的光。

如图3所示，三个LED模块分别连接有准直仪78、80和82，准直仪78、80和82用来提高从对应的LED模块的LED发射光的采集效率，这些准直仪与对应的LED模块的连接关系同图2所示。照明系统70还包括3个微透镜组件84、86和88，分别设置于准直仪78、80和82之后。同图2中的微透镜组件46相似，微透镜组件84、86和88各自包括多个微透镜，各个微透镜组件中微透镜的数目与对应的LED模块中LED的数目相同。各个微透镜组件用来接收其对应的LED模块发射的光，并用来将接收的光分别传输到对应的透镜90、92和94。

透镜90、92和94与图2中所示的透镜48类似，用来将对应的微透镜组件传输的光收集并聚焦后传输到对应的偏振元件上，如图3所示的偏振元件96、98和100。偏振元件96、98和100用来偏振对应的透镜90、92和94传输的光。因此，每一偏振元件都将对LED发射的光产明显的偏振作用。例如，偏振元件96将对从准直仪78发射的光产生S偏振的效果，偏振元件98和100分别将对从准直仪80和82发射的光产生P偏振的效果。本领域的普通技术人员都可以理解，实际应用时，可以将偏振元件96、98和100设置成不同的方式，以产生不同的偏振效果。

照明系统70还包括分别设置于偏振元件96、98和100之后的成像装置102、104和106，成像装置102、104和106分别用来根据LED模块72、74和76中的LED发射的光形成图像。由成像装置102、104和106产生的图像将被传输到X-cube，然后被传输到视频显示装置的光导器件。

图4是本发明实施例提供包括微透镜组件的照明系统示意图，其中的微透镜组件与图2和图3中的微透镜组件相同，其后设置有透镜48。图4中的微透镜组件46包括5个微透镜(透镜元件)，与LED模块40中的5个LED对应。实际应用时，微透镜的数目并不局限于5个，也可以是7个或者11个，与对应的LED模块中的LED的数目对应即可。其中的微透镜60采用光学玻璃，如丙烯酸化合物或者类似材质的光学玻璃。微透镜60的造型为半球形，如凸透镜。本实施例中，微透镜60面向LED模块40的一面为平面造型，而面向透镜48的一面为半球形或者曲面造型。

如图4所示，微透镜60靠近轴线62设置，并且以轴线62为对称线对称，具体应用时，微透镜也可以设置成非对称的。此外，每一微透镜相对轴线62、LED模块和透镜48都有其特定的定位，这种定位使得每一微透镜都能最大限度的采集LED模块40中(LED模块72、74和76同理)对应的LED发射的光。换句话说，每一微透镜都相对其对应的LED和透镜48处于最佳的位置。

图5是本发明实施例流程图，图中标示为80，图2中的照明系统12和图3中的照明系统70都适用本流程，具体包括如下的步骤：

82、开始；

84、视频显示单元的照明系统中的LED模块发射光，该照明系统中的LED模块包括多个LED(本步骤还可以包括对光线的准直过程)；

86、与LED模块对应的微透镜组件接收LED发射的光；

88、微透镜组件将光线传输到多个成像系统，各个成像系统根据所接收的光各自成像；

本步骤中，成像系统成像的数目与微透镜组件的数目对应，如上述实施例所述的照明系统中，如果存在3个微透镜组件，则成像系统将形成3幅独立的图像；在光线被传输到成像系统之前，还可以经过透镜聚焦；

90、由多个成像系统形成的多个图像经过X-cube组合成一个图像，然后被投射到视频显示单元的屏幕上。

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

1.一种照明系统，其特征在于，所述的照明系统包括：两个或者两个以上的LED模块、两个或者两个以上的透镜元件和两个或者两个以上的成像装置，其中：

所述的LED模块包括两个或者两个以上的用来发光的LED；

所述的透镜元件设置于两个或者两个以上的微透镜组件内，每一微透镜组件内的透镜元件的数目分别与其对应的LED模块中的LED数目对应，所述微透镜组件用于采集LED发出的光，并将光传递到设置在其后的透镜，同时改变光的传输方向，每一微透镜组件中的透镜元件对称于穿透所述微透镜组件和设置在其后的透镜的轴线分布，或不对称于穿透所述微透镜组件和设置在其后的透镜的轴线分布，所述透镜元件相对轴线、LED模块和透镜都有其特定的定位，所述定位使得每一透镜元件都能最大限度的采集LED模块中对应的LED发射的光，所述微透镜组件影响每个LED在孔径上的光强度分布；

2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述成像装置和透镜之间设置有偏振元件。

3.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述的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，所述的照明系统还包括X-cube，用来将所述两个或者两个以上的成像装置形成的多幅图像组合成单幅图像。

5.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述的透镜元件用来提高传输到视频显示单元光导器件的光的传输效率。

6.一种视频显示单元中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：

两个或者两个以上包括LED的LED模块发射光；

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括如下步骤：

对所述微透镜组件传输的光进行偏振。

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

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述LED发射的光包括红色光、绿色光和蓝色光。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的微透镜组件接收所述的LED发射的光之前还包括，对所述的LED发射的光进行准直。

11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的微透镜组件调整所述光的方向具体包括：所述的微透镜组件中的透镜元件接收其对应的LED发射的光，并将所述的光传输到透镜。

12.一种视频显示单元，其特征在于，所述的视频显示单元包括照明系统、成像系统和投影系统，所述的照明系统包括两个或者两个以上的LED模块、两个或者两个以上的透镜元件和两个或者两个以上的成像装置，其中：

所述的LED模块包括两个或者两个以上的用来发光的LED；

所述的成像系统用来根据所述照明系统发射的光形成图像；

所述的投影系统用来将所述成像系统形成的图像投影在所述视频显示单元的屏幕上；

13.根据权利要求12所述的视频显示单元，其特征在于，所述成像装置和透镜之间设置有偏振元件。

14.根据权利要求12所述的视频显示单元，其特征在于，所述LED发射的光包括红色光、绿色光和蓝色光。

15.根据权利要求12所述的视频显示单元，其特征在于，所述视频显示单元还包括X-cube，用来将所述的成像装置形成的多幅图像组合成单幅图像。