CN101785320A - 用于投影仪的光源 - Google Patents

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Abstract

一种投影仪包括多个照明模块。每个照明模块都包括诸如半导体发光二极管的光源，以及配置成接收来自该光源的光并将该光准直成光束的光学元件。来自这些照明模块的光提供给液晶显示面板，然后提供给投影透镜。在一些实施例中，将次光学器件置于这些照明模块和液晶显示面板之间，所述次光学器件如菲涅耳透镜阵列或反射偏振器。在一些实施例中，所述液晶显示面板是低温多晶硅液晶显示器。

Description

用于投影仪的光源
技术领域
本发明涉及一种向诸如投影仪的系统提供准直光束的光源。
背景技术
半导体发光器件如发光二极管(LED)是目前可用的最有效的光源之一。目前在能够在整个可见光谱上工作的高亮度LED的制造中感兴趣的材料系统包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也称为III-氮化物材料；以及镓、铝、铟、砷和磷的二元、三元和四元合金。通常III-氮化物器件在蓝宝石、碳化硅或III-氮化物衬底上外延生长，III-磷化物器件通过金属有机化学汽相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其他外延技术而在砷化镓上外延生长。III-V器件包括夹在n型区域和p型区域中间的发光区或激活区。
半导体发光器件的一种有前途的应用是作为投影仪中的光源，在该投影仪中将液晶显示器(LCD)上的图像进行放大和投射。在常见的现有技术的投影仪中，用金属卤化物灯或卤素灯来照射该LCD。这样的灯的使用限制了光源尺寸以及进而投影仪尺寸能够减小的程度。
图1是现有技术的投影仪的透视图，该投影仪在美国专利US7131735中有更详细的描述。发光二极管(LED)103作为点光源，其面向导光体102(丙烯酸树脂的正方形条(square bar))的端面成平面布置。这些二极管与导光体102分隔开。液晶显示元件101布置为面向导光体102的另一个端面。导光体102的发光端面所发射的光入射到液晶显示元件101上。液晶显示元件101所显示的图像由投影透镜104放大并被投射到屏幕上。导光体对于使来自LED 103的光混合以便均匀地照射液晶显示元件101来说是必不可少的，其使得该投影仪的体积变得不希望地大。
发明内容
依照本发明的实施例，投影仪包括多个照明模块。每个照明模块都包括诸如半导体发光二极管的光源，以及配置成接收来自该光源的光并将该光准直成光束的光学元件。来自这些照明模块的光提供给液晶显示面板，然后提供给投影透镜。
在一些实施例中，将次光学器件置于这些照明模块和液晶显示面板之间，所述次光学器件例如菲涅耳透镜阵列或反射偏振器。在一些实施例中，该液晶显示面板是低温多晶硅液晶显示器。
由于每个光源都与其自己的主光学器件相关联，因此这些主光学器件可以比所有光源所共用的主光学器件更小，所述共用的主光学器件如图1中所示的导光体。因此，结合这样的照明模块的投影仪与常规投影仪相比可以制造得更小、更薄且花费更低。此外，由于每个照明模块都照亮一部分液晶显示面板，因此可以根据所显示的图像来调整供给到每个照明模块的功率量，这潜在地减少了功率消耗并且改善了所投射的图像的对比度。
附图说明
图1是现有技术的投影仪的透视图。
图2是根据本发明实施例的投影仪的横截面视图。
图3图解说明具有多个LED的照明模块。
图4是包括偏振器的投影仪的横截面视图。
图5图解说明对于给定的一组图像数据来调整每个照明模块的亮度的系统。
图6图解说明用于为投影仪中的实际照度均匀性来校正图像数据的系统。
图7是具有双微透镜阵列(lenslet array)的用来照射LCD的投影仪的一部分的横截面视图。
具体实施方式
依照本发明的实施例，照明模块包括与光学器件结合的一个或多个LED。每个照明模块能够提供准直的白光束。多个照明模块例如可以与透射LCD面板和投影透镜结合使用，以将图像投射在墙上或屏幕上。通过增加或减少照明模块很容易地缩放该系统。
图2是根据第一实施例的投影仪的横截面视图。提供一个或多个照明模块15，其安装在光学散热器10上。每个照明模块都包括安装在底座12上的光源14。主光学器件16置于LED 14上方。每个照明模块15都与次光学器件18对准。LCD面板20接收来自次光学器件18的光。然后该光入射在透镜22和投影透镜24上，透镜22例如可以是菲涅耳透镜。如果所投射的图像相对于该图像被投射其上的表面发生了倾斜，那么为了对所投射的图像进行梯形畸变校正(key-stonecorrection)可以使透镜22也倾斜。
每个照明模块15都包括发射白光的光源。适合的光源包括如图2中所示的单个LED，或者多个LED。适合的LED可以配置成从LED的侧面或者从LED的顶部发射大部分光，如本领域已知的。适合的单个LED的例子是与一个或多个磷光体结合的发射蓝光或发射UV的LED，从而使磷光体发射的光以及可能由LED发射的光进行混合并呈现白色。
图3是包括多个LED的照明模块的横截面视图以及在该照明模块中使用的4个LED的平面图。四个LED14A、14B、14C和14D成正方形排列而安装在底座12上，然后将其放置在主光学器件16中或靠近该主光学器件16。可以使用更多或更少的LED以及不同于正方形的布置。LED14A-D中的每一个都可以是发射白光的磷光体转换的(phosphor-converted)LED，或者可以使用发射红光、发射绿光和发射蓝光的LED的组合，或者可以使用发射红光、发射绿光、发射蓝光和发射白光的LED的组合。
主光学器件16将来自光源14的光准直成光锥体。在一些实施例中，主光学器件16将该光准直成小于2×60°(即与法线成60°角)的锥体。当该锥体小于2×12°时，主光学器件16的尺寸可能是不希望地大。适合的主光学器件16的例子包括矩形或正方形的敞开(open)的准直仪或复合抛物面聚光器，其通过例如在塑料上淀积诸如铝或银的反射膜而形成；或者固态塑料(solid plastic)或玻璃透镜。
次光学器件18将来自每个照明模块的光束准直成小的照明光束，例如不大于2×18.2°的锥体，其对应于1.6的照明F#，这取决于LCD的大小，但也可以与2×3°一样小，其对应于10的F#。适合的次光学器件18的例子包括菲涅耳透镜或圆顶形透镜(dome lens)。次光学器件18例如可以在单片透镜材料中形成为透镜阵列。
每个照明模块15都照亮一部分LCD 20。如图2中所示，来自邻近的照明模块15的光束可能在LCD 20的表面处重叠。该重叠可以如希望地减小邻近的照明模块之间的边界外观，特别是在包括用于根据图像数据来调整每个模块的亮度的电子设备的系统中，如下面所描述。重叠量是次光学器件18的焦距以及次光学器件18与LCD 20之间的距离的函数。
LCD 20例如可以是低温多晶硅(LTPS)LCD，或者任何其他适合的LCD。图2中所示的投影系统是彩色投影系统，因此LCD 20例如与产生红色、绿色和蓝色子像素的滤色片一起产生彩色图像，这是本领域已知的。
LTPS LCD通常用在诸如蜂窝电话和个人数字助理显示器之类的小型显示器中。适合的LTPS LCD可从台湾Chunan的TPO得到。从TPO得到的适合的矩形LCD面板例如对角线在2.8英寸和4.3英寸之间，尽管能够使用对角线为1英寸那么小的LCD面板。
在一些实施例中，可能需要从图2所示系统的投影透镜24输出的亮度在50流明和1000流明(lm)之间，虽然在诸如超便携式设备的一些实施例中亮度降低可能是可接受的。LTPS LCD面板对于非偏振的白光经常具有大约5％的透射效率(transmission efficiency)。为了在5％的LCD面板透射效率和50％的光学部件效率(即，透镜22、投影透镜24和LCD的照明满溢(overfill)面积)的情况下从投影透镜24产生50lm的输出，那么照明模块的阵列必须产生至少2000lm；为了产生250lm的输出，那么该阵列必须产生至少10000lm。白色LED可用于在2.5W的电输入功率下在每mm2的管芯面积上产生100lm。对于50lm的投影仪来说，需要20个这样的LED。例如，可以使用4×5阵列的照明模块15，每个照明模块都具有单个的白色LED 14，其总功率消耗是50W。对于250lm的投影仪来说，需要100个LED，其总功率消耗是250W。
图2中所示的系统的光束扩展值(etendue)与LCD面板20的面积、投影透镜24的F数、聚集的(collected)锥角和照明光学器件设计参数有关，所述投影透镜24的F数应当对应于LED光源14的管芯面积，所述设计参数如LCD的照明满溢面积。发明人在Lambertian发射图中计算了在LED管芯的20mm2的发光面积处的光束扩展值是61mm2sr，其对应于根据图2的从投影透镜24输出50lm的系统的性能。
常规的投影仪可以使用高温多晶硅面板，或者基于微电机系统(MEMS)的系统，如数字光处理(DLP)背投电视。这些类型的显示器需要高光亮度源，并且由于复杂的光学器件而可能是很昂贵的，且产量和成品率(yield)相对较低。与此相反，当使用LTPS LCD时，优于常规投影仪的是，可以降低显示器的成本和尺寸。
在一些实施例中，在照明模块和LCD之间包括偏振器，如图4中所示。大多数LCD需要偏振光，因此，在次光学器件18和LCD 20之间包括反射偏振器26可以改善该投影仪的性能。偏振器26将不能被LCD 20利用的偏振光朝次光学器件18向后反射，这部分光能够潜在地反射成能用的偏振并且最终从偏振器26逸出。因此，偏振器26可以改善该系统的效率并且降低功率消耗。
由于每个照明模块15都照射一部分LCD面板20，因此可以针对给定的一组图像数据调整来自每个照明模块15的亮度，如图5中所示。将图像数据32提供给LCD控制器28，因此LCD 20能够形成适当的图像，该图像数据32也直接或间接地提供给LED驱动器30。例如，对于给定的图像，与照明模块15A对应的那部分图像可以较暗，而与照明模块15B对应的那部分图像可以较亮。LED驱动器30可以接收该图像数据，并且作出响应向照明模块15B提供更大的功率以产生更多的光，并且向照明模块15A提供较小的功率以产生较少的光。调整每个照明模块的亮度以对应于该图像数据可以改善对比度并降低该投影仪的功率消耗。
在一些实施例中，能够例如通过图6中所示的系统以电的方式改善照度均匀性，这允许在没有电子改善措施的情况下可能不够均匀的较高效率的光学器件。
在图6所示的系统中，将照明段15和次光学器件18显示为块36。LCD控制器28接收图像数据32和测得的照度均匀性数据38。LCD控制器28校正该图像数据以匹配LCD面板20的每个部分的实际、测得的照度38。然后向LCD 20提供已校正的数据40。
在图7所示的可选择的实施例中，在次光学器件18和LCD面板20之间布置微透镜阵列集成器(integrator)42。
上面的实施例中所描述的投影仪可以提供优于现有技术的投影仪的多个优点，所述现有技术的投影仪如图1中所示的投影仪。由于每个光源都与主光学器件相关联，因此该主光学器件可以比所有光源所共用的主光学器件更小，所述共用的主光学器件如图1中所示的导光体。在本发明实施例中所描述的照明模块因此可以比常规的光源更薄，例如厚度在半英寸和1英寸之间。因此，结合这样的照明模块的投影仪比常规投影仪更小、更薄并且花费更低。
已经详细地描述了本发明，本领域技术人员将理解，在给定了当前公开内容的基础上，可以在不背离这里描述的发明构思的精神的情况下对本发明进行多种修改。因此，不企图将本发明的范围限制于所示出和描述的这些特定实施例。

Claims (15)

1.一种器件，其包括：
多个照明模块，每个照明模块都包括：
光源；以及
光学元件，其配置成接收来自所述光源的光并且将该光准直成光束；
液晶显示面板；以及
投影透镜；
其中所述液晶显示面板置于该多个照明模块和所述投影透镜之间。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个照明模块中的每个光学元件都是第一光学元件，所述器件进一步包括至少一个第二光学元件，其中所述至少一个第二光学元件置于所述多个照明模块和所述液晶显示面板之间。
3.根据权利要求2所述的器件，其中每个光源都包括发射白光的半导体发光器件。
4.根据权利要求2所述的器件，其中每个光源都包括发射蓝光的半导体发光器件、发射绿光的半导体发光器件，以及发射红光的半导体发光器件。
5.根据权利要求2所述的器件，其中每个第一光学元件都包括透镜、复合抛物面聚光器，或反射器。
6.根据权利要求2所述的器件，其中每个第一光学元件都发射出光锥体在2×12°和2×60°之间的光束。
7.根据权利要求2所述的器件，进一步包括多个第二光学元件，其中每个第二光学元件都与照明模块对准。
8.根据权利要求7所述的器件，其中每个第二光学元件都包括菲涅耳透镜。
9.根据权利要求7所述的器件，其中所述多个第二光学元件在单块材料中形成。
10.根据权利要求2所述的器件，其中所述第二光学元件包括反射偏振器。
11.根据权利要求2所述的器件，进一步包括置于所述第二光学元件和所述液晶显示器之间的透镜阵列。
12.根据权利要求1所述的器件，进一步包括驱动电路，其中所述驱动电路连接到所述多个照明模块，且其配置成接收图像数据并且基于该图像数据向每个照明模块提供功率。
13.根据权利要求1所述的器件，其中所述液晶显示面板是低温多晶硅液晶显示面板。
14.根据权利要求1所述的器件，其中所述液晶显示面板接收光锥体在2×3°和2×18.2°之间的光束。
15.根据权利要求2所述的器件，其中每个第二光学元件都配置成发射光锥体在2×3°和2×18.2°之间的光束。
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