CN101634800A - 光谱重组的led投影光源及其投影引擎 - Google Patents
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Abstract
本发明属于投影光源、投影光学系统和投影显示设备。在白光LED投影光源中的适当位置,用色光LED替代白光LED实现光谱重组,种类和数量视光谱和设计要求而定。在投影光学引擎中,复眼透镜阵列将白光和色光LED混合阵列发出的离散光束分为数十到数百个小光束,场镜将小光束逐个叠加到LCD屏上。照明LCD屏的白光光谱不同于全白光LED阵列的光谱。重组后的LED光源光谱与CF膜的光谱对应拟合,提升光输出,亮度和色度均匀性,彩色重现率和改变色温。投影光源和投影引擎也保留了LED投影寿命长,响应快,易驱动,无辐射热,光源光效高,节能环保等基本优点。应用本投影光源和光学引擎的投影装置,当然也就具备上述优点。
Description
技术领域
本发明专利属于投影光源、投影光学系统和投影显示设备。专利特别涉及一种光谱重组的白光LED阵列投影光源,以复眼透镜阵列和CF(彩色滤色)膜彩色方式为特征的LCD投影光学引擎,以及使用该光学引擎的投影装置。
背景技术
视频投影机这类前投影装置以带CF膜的TFT-LCD作为成像器件。它主要用于娱乐场所和家庭影院,也可用做游戏和玩具,全球市场年需求数以百万台计。以前,它长期采用金卤灯作为投影光源;近年,也开始采用LED投影光源。
此类投影机廉价实用,得到市场欢迎,改用LED投影光源后,更具有寿命长,响应时间短,易于驱动,无辐射热量,光源光效高,节能环保的优点。但单只LED功率小,光输出小,需采用多只拼接方式,例如阵列方式来增大LED投影光源的光输出。投影引擎的光输出不仅取决于光源光输出,也由投影光学引擎的光效决定。此类投影光学引擎的光效“瓶颈”在于带CF膜的TFT-LCD屏,一般要求用于投影的LCD屏透过率高一些,但也不过约为5%~7%。此外,在有的应用中,白光LED的光谱和CF膜的光谱影响投影显示的色度性能,例如彩色重现率和CCT(相关色温),也需要改进。
LCD屏透过率主要取决于三个因素,偏光片透过率、像素开口率和CF膜透过率。投影机制造商外购LCD屏,似乎无法改变它的透过率。若LCD屏的供应商已经过设计优化,受原理限制,前两个因素确实难以再提升。在CF膜的设计中,透过率与彩色重现率的矛盾似乎也难以调和,单方面强调提高透过率,必然导致彩色重现率降低,所以需要进行CF膜的折中设计。按规范,采用C型标准白光源测试CF膜的透过率,但是它并非投影中所用的实际光源,两者的光谱存在很大差异,正是这种差异为本专利的新方案预留了改进空间。
投影所用的气体放电灯(包括金卤灯)不能进行光源光谱重组。采用RGB(红绿兰)LED可混合成白光且重组光谱,但RGB色光LED的发光效率低于白光LED,引擎设计不当还存在投影图像色度和亮度不均匀问题。目前未见对白光LED阵列投影光源进行光谱重组的报道。
本发明已经全面了解到上述情况,采用一种新颖的技术方案,重组白光LED阵列的光谱,使之与CF膜的光谱对应拟合,同时设计了与之配合的投影光学引擎,按设计要求提升相关性能,并已达到投影装置的实用效果。
发明内容
在本发明专利的技术方案中,投影光源和投影引擎的设计具有显著的特点。
在LED视频投影机中,为获得所需的高光源光输出,也为与带CF膜的LCD屏配合,通常采用白光LED(芯片或封装器件)阵列构成投影光源。本方案在白光LED阵列中某个或某些适当位置,用色光LED替代白光LED,从而实现白光LED投影光源的光谱重组。可选择的色光种类包括R、G、B、Y(黄)、GY(黄绿)、OR(橙红)等,色光LED种类和数量视CF膜光谱,LED光谱和其它设计要求而定。重组后的光源光谱与CF膜的光谱对应拟合,能改善相关性能,但色光LED替代白光LED也可能引起光源光输出有些下降。在有的设计中,重组并没有使光学引擎光效提高,结果是重组改进了色度相关性能而牺牲了一些引擎光输出。而在另外的设计中,重组更有利于提高CF膜透过率和光学引擎光效,所以,在改进色度相关性能的同时,引擎的光输出还是得到提高。
本方案所指LED含盖了各类LED,例如芯片LED、各类型封装LED、功率LED、中功率LED和小功率LED。
色光LED替代白光LED还可能引起投影图像不均匀。为解决此问题,本专利在引擎中采用复眼透镜阵列方式,同时保证了亮度和色度均匀性。复眼透镜阵列将以白光LED为主,色光LED为辅的混合阵列发出的离散光束分为数十到数百个小光束,并逐个叠加到成像器件上。照明成像器件的仍然是白光光束,但其光谱不同于全白光LED阵列,便于与CF膜光谱对应拟合,不仅有可能提高光效和光输出,改进彩色重现率和CCT,也提升了亮度和色度均匀性。
这样的投影光源和投影引擎,除具有LED投影光源的寿命长,响应时间短,容易驱动,无辐射热量,光源光效高,节能环保的基本优点外,还具有提升光输出,亮度均匀性,色度均匀性,彩色重现率和改变色温的优点。
应用本投影光源和光学引擎的投影装置,当然也就具备上述优点。
本发明专利是这样实现的:
在投影光源规则排列的LED阵列中,按照不同的CF膜光谱和LED光谱,以及光输出,彩色重现率和色温等设计要求,选择某个或某些更有利于色度均匀的位置,安装某个或某些种类的色光LED,其余位置则全部安装白光LED。这就构成了LED投影光源的光谱重组。
投影光学引擎中,设置有但不仅仅设置有依次排列的光谱重组LED投影光源,复眼透镜阵列,场镜,成像器件LCD屏。光源发出的白光为主,色光为辅的混合光束到达复眼透镜阵列,它将不同LED发出的离散光束细分为数十到数百个小光束,场镜将每一小光束的光轴都改变到通过LCD屏的中心,从而实现每一小光束逐个叠加到LCD屏上。即无论是白光光束还是色光光束,全部都叠加到同一位置和区域-LCD屏。照明LCD屏的白光光束光谱与CF膜光谱对应拟合,从而实现设计所要求的光输出,彩色重现率和色温等性能。
以本投影光源和光学引擎作为核心部件,再加上电路和结构,即构成本专利所指的投影装置。
附图说明
图1是一种光谱重组的封装LED器件阵列示意图。
图2是一种CF膜光谱和全白光LED光谱的示意图。
图3是一种CF膜光谱和重组的LED光谱的示意图。
图4是光谱重组LED投影光源相关的光学引擎原理示意图。
具体实施
下面结合附图说明具体实施例:
在附图1中,101是5只绿光LED,102是2只橙红光LED,103是12只白光LED,104为安装LED阵列的金属基印制电路板(MCPCB)。在附图2中,201是CF膜透过率的光谱曲线,202是白光LED的能量光谱曲线。可见光谱重组前,在可见光的大部分波长区域,白光LED的能量光谱峰值与CF膜透过率光谱峰值不对应,因此,透过率低,同时绿光和红光的彩色重现率也低。在附图3中,201仍然是同一条CF膜透过率的光谱曲线,302则是光谱重组后白光LED的能量光谱曲线。可见采用对应拟合的方法,透过率,以及绿光和红光的彩色重现率均可望改善。
在附图4中,401为光谱重组的LED投影光源,402是复眼透镜阵列,403为场镜,404是LCD屏,W代表白光束,G代表绿光束,OR代表橙红光束。401发出的白光为主,色光为辅的混合光束到达402,它将不同LED发出的离散光束细分为数十到数百个小光束,403将每一小光束的光轴都改变到通过404的中心,从而实现每一小光束逐个叠加到LCD屏上。这样,不仅改善了透过率和彩色重现率,也改善了亮度均匀性和色度均匀性,同时还进一步提高了引擎光效。
Claims (5)
1.一种以白光LED为主,色光LED为辅组成的投影光源,用于带CF膜的LCD投影光学引擎中,其重组后的能量光谱与LCD屏的CF膜透过率光谱存在一种对应关系,导致彩色重现率和色温的改变。
2.一种以白光LED为主,色光LED为辅组成的投影光源,用于带CF膜的LCD投影光学引擎中,其重组后的能量光谱与LCD屏的CF膜透过率光谱存在一种对应关系,导致提高CF膜透过率、光学引擎光输出、彩色重现率,改变色温。
3.权利要求1和2所指LED含盖了各类LED,例如芯片LED、各类型封装LED、功率LED、中功率LED和小功率LED。
4.一种设置有,但不仅仅设置有,依次排列的权利要求1或2所述的光谱重组LED投影光源,复眼透镜阵列,场镜,带CF膜LCD屏的投影光学引擎。
5.一种单片LCD投影装置,其特征在于它具有权利要求4所述的投影光学引擎,权利要求1或2所述的投影光源,权利要求3所述的LED。
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