CN102033401A - 基于红绿蓝三基色led光源的投影成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像方法及系统，属于光学投影成像领域。该方法以红色LED光源模块、绿色LED光源模块及蓝色LED光源模块形成三色矩形基色光线束；用三色矩形基色光线束分别直接照射三色LCD液晶成像板形成三基色成像光线束；三基色成像光线束经三基色光合成模块合成彩色成像光线，并经成像透镜模块投射成像。利用球的直径通过球心的几何理论，采用球冠形凹面作为LED光源模块的基板，使各LED光线汇聚于球心，产生高亮度的汇聚点光源，解决了LED矩阵光源短距离汇聚技术难题。与现有技术相比，采用该方法制成的投影机具有色温低，产生红外线和紫外线量少，无电极、灯丝等易损部件，无分光镜造成的光损失，亮度高，寿命长等特点。

Description

基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像方法及系统

技术领域

本发明涉及光学投影成像领域，具体地说是一种基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像方法及系统。

背景技术

投影机作为终端显示器，体积小，色彩丰富，成像尺寸大，亮度高，对比度高，重量轻，携带方便，被广泛用于课堂教学，行业培训，技术交流，娱乐等领域。现有投影机主要以弧光光源投影为成像原理：UHP弧光灯产生的圆锥形光，首先光线通过滤光片，滤掉红外线和紫外线。透过两片多镜头镜片将光线均匀化，并将校正为和投影图像近似的矩形光线。然后光线被分光镜分为红、绿、蓝三原色并被分别反射到相应的红、绿、蓝液晶片上(薄膜场效应晶体管)并透过液晶片。驱动电路使三基色液晶片上的各液晶单元液晶有序偏转，控制相应原色的透光率，最后三路光线汇聚在一起由镜头投射到银幕上出，产生了色彩丰富的图像。

一方面，由于UHP弧光灯属于气体放电，工作时产生红外线和紫外线，对液晶片有一定损伤，所以，随着工作时间延长，电极烧蚀，间隙增加，电极金属汽化后附着在玻璃球体内部，发光强度急剧下降，以致于UHP弧光灯使用寿命短，需频繁更换。另一方面，其工作过程中需分光镜将光源光线分解，并提取红绿蓝三基色，再通过密闭光路及镜片组，分别将三基色光传递到红、绿、蓝液晶片上，光损失大，结构复杂。

为了解决上述现有技术的不足，在公开号为CN 1206865C的专利文件中公开了一种“用于投影显示的使用LED光源的系统和方法”。该方法是采用光纤传导光，在传导过程中汇聚，再照射LCD。而目前光纤主要用于传导光信号，光能量较小，用于传导诸如20流明的光纤未见报道，光纤传导能量的大小与光线的截面积有关，且高能量的光必然会有大的热量，会使聚合物材料的光纤变形，影响光传导。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述现有技术的不足，提供一种基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像方法。以该方法制成的投影机具有色温低，产生红外线和紫外线量少，无电极、灯丝等易损部件，无分光镜造成的光损失，亮度高，寿命长等特点。

本发明的第二个技术任务是提供一种用于实现上述方法的基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像系统。

本发明的技术任务是按以下方式实现的：基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像方法，以红色LED光源模块、绿色LED光源模块及蓝色LED光源模块形成红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束和蓝色矩形基色光线束；用红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束和蓝色矩形基色光线束分别直接照射红色LCD液晶成像板、绿色LCD液晶成像板及蓝色LCD液晶成像板形成三基色成像光线束；三基色成像光线束经三基色光合成模块合成彩色成像光线，并经成像透镜模块投射成像。

由于目前同功率的蓝色LED发光二极管亮度仅为红色、绿色LED发光二极管亮度的一半左右，要使投影所成图像产生纯白色，红、绿、蓝三色LED光源模块所产生的光亮度必须一致。目前，主要通过降低红、绿LED光源模块功率，相对增加蓝色LED光源模块功率，使三色光源亮度到达统一。本发明优选的方法是利用光学叠加原理，将两个蓝色LED光源模块产生的光线进行叠加，提高亮度，具体方法如下：所述蓝色LED光源模块由第一蓝色LED光源模块、第二蓝色LED光源模块及蓝色光合成模块构成，第一蓝色LED光源模块、第二蓝色LED光源模块形成的第一蓝色矩形基色光线束、第二蓝色矩形基色光线束经蓝色光合成模块合成为蓝色矩形基色光线束，再照射蓝色LCD液晶成像板。

优选的，红色LED光源模块、绿色LED光源模块及第一蓝色LED光源模块、第二蓝色LED光源模块均包括LED发光体、球冠形凹面基板、汇聚透镜及遮光板，若干LED发光体布设于球冠形凹面基板的凹面，各LED发光体产生的光线经凹面球心汇聚后，再由汇聚透镜汇聚成无畸变和色差的三基色圆柱形光线束，所述遮光板设置在汇聚透镜光线输出一侧，遮光板中部开有矩形窗口，用于将汇聚透镜输出的三基色圆柱形光线束变成三基色矩形光线束。

为了提高各LED光源模块的散热性能，可以在球冠形凹面基板上设置散热器。

另外，可以在球冠形凹面基板与汇聚透镜之间设置聚光杯，所述聚光杯两端开口，一开口端与球冠形凹面基板边沿相连接，另一开口端与汇聚透镜边沿相连接。一方面，聚光杯可以用于汇聚部分散射的光线，并起到密闭作用；另一方面，可作为汇聚透镜的支架。

所述LED发光体优选采用LED单体封装模式，包括凹面凸透镜、抛物线型聚光杯及LED发光二极管管芯，LED发光二极管管芯设置在抛物线型聚光杯的焦点上，凹面凸透镜设置在抛物线型聚光杯的开口端，在凹面凸透镜与抛物线型聚光杯之间填充有高透光率高导热率材料，如：TT860透明有机硅灌封胶、PMMA改性的有机玻璃等。凹面凸透镜和抛物线型聚光杯共同组成光线汇聚系统，使LED发光体输出光线为一圆柱型平行光束。

用于实现上述方法的基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像系统包括：

红色LED光源模块、绿色LED光源模块及蓝色LED光源模块：分别用于产生红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束及蓝色矩形基色光线束；

红色LCD液晶成像板、绿色LCD液晶成像板、蓝色LCD液晶成像板、三基色光合成模块及成像透镜模块：红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束及蓝色矩形基色光线束分别直接照射红色LCD液晶成像板、绿色LCD液晶成像板及蓝色LCD液晶成像板形成三基色成像光线束，再经三基色光合成模块合成彩色成像光线，并经成像透镜模块投射成像；

LCD液晶成像板驱动模块：用于接收视频信号，并驱动红色LCD液晶成像板、绿色LCD液晶成像板及蓝色LCD液晶成像板；

LED光源驱动电源模块：用于驱动红色LED光源模块、绿色LED光源模块及蓝色LED光源模块发光，并控制其工作状态；用于驱动LCD液晶成像板驱动模块；

LED光源模块温度检测模块：用于检测红色LED光源模块、绿色LED光源模块及蓝色LED光源模块的工作温度；

LED光源模块散热风机：用于红色LED光源模块、绿色LED光源模块及蓝色LED光源模块的散热降温；

散热风机驱动模块：用于驱动LED光源模块散热风机；

温度控制模块：用于接收处理来自LED光源模块温度检测模块的温度信号，并控制电源模块及LED光源驱动电源模块工作状态；

电源模块：用于为散热风机驱动模块、LED光源驱动电源模块及温度控制模块供电。

所述蓝色LED光源模块由第一蓝色LED光源模块、第二蓝色LED光源模块及蓝色光合成模块构成，

第一蓝色LED光源模块、第二蓝色LED光源模块分别形成第一蓝色矩形基色光线束及第二蓝色矩形基色光线束；

蓝色光合成模块：合成第一蓝色矩形基色光线束及第二蓝色矩形基色光线束以增强蓝色光强度。

本发明的基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像方法及系统与现有技术相比具有以下突出的有益效果：

一、采用独立驱动的红、绿、蓝三基色LED光源模块分别直接照射红、绿、蓝三色液晶成像板成像，无分光镜造成的光损失，提高了光源利用率；

二、无需光纤，直接利用汇聚透镜再次汇聚各色光源，并直接照射LCD，光传导效果好；

三、利用光学叠加原理，将两个蓝色LED光源矩阵产生的光线进行叠加，提高亮度，可有效解决蓝光亮度低的技术难题；

四、利用球的直径通过球心的几何理论，采用球冠形凹面作为LED光源模块的基板，将产生圆柱形平行光线的LED发光体，按圆环形排列在凹面球冠上，径向放置，使各LED光线汇聚于球心上，产生高亮度的汇聚点光源，解决了LED矩阵光源短距离汇聚技术难题；

五、红、绿、蓝三基色LED发光二极管具有色温低，产生红外线和紫外线量极少，对LCD液晶板无损伤，无需红外及紫外滤光片，无电极、灯丝等易损部件，是长寿命环保新型投影成像系统；

六、红、绿、蓝三基色大功率LED发光二极管光谱纯正，图像色彩更逼真，清晰度高；

七、红绿蓝三色LED光源模块所用发光二极管芯片，均基于现有的已成熟的制造技术，有利于大规模推广，降低成本。

附图说明

附图1是本发明实施例一中投影成像系统的结构示意图；

附图2是本发明实施例二中投影成像系统的结构示意图；

附图3是图1、图2中红、绿、蓝LED光源模块结构示意图；

附图4是图3中光源模块的A-A剖视图；

附图5是图1、图2中LED发光体结构示意图。

具体实施方式

参照说明书附图以具体实施例对本发明的基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像系统作以下详细地说明。

实施例一：

基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像方法，

以红色LED光源模块1、绿色LED光源模块5及蓝色LED光源模块形成的红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束和蓝色矩形基色光线束；

用红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束和蓝色矩形基色光线束分别直接照射红色LCD液晶成像板2、绿色LCD液晶成像板4及蓝色LCD液晶成像板6形成三基色成像光线束；

三基色成像光线束经三基色光合成模块3合成彩色成像光线，并经成像透镜模块7投射成像。

如附图1所示，用于实现该成像方法的投影成像系统主要由红色LED光源模块1、绿色LED光源模块5、蓝色LED光源模块、红色LCD液晶成像板2、绿色LCD液晶成像板4、蓝色LCD液晶成像板6、三基色光合成模块3、成像透镜模块7、LCD液晶成像板驱动模块8、LED光源驱动电源模块9、LED光源模块温度检测模块10、11、LED光源模块散热风机12、13、14、15、散热风机驱动模块16、温度控制模块17及电源模块18构成。

其中，蓝色LED光源模块由第一蓝色LED光源模块19、第二蓝色LED光源模块20及蓝色光合成模块21构成。

红色LED光源模块1、绿色LED光源模块5分别用于产生红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束；

第一蓝色LED光源模块19、第二蓝色LED光源模块20形成的第一蓝色矩形基色光线束及第二蓝色矩形基色光线束经蓝色光合成模块21合成后形成蓝色矩形基色光线束。

红色LED光源模块1、第一蓝色LED光源模块19并列安放在左侧；绿色LED光源模块5、第二蓝色LED光源模块20并列安放在右侧。

红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束及蓝色矩形基色光线束分别直接照射红色LCD液晶成像板2、绿色LCD液晶成像板4及蓝色LCD液晶成像板6形成三基色成像光线束，再经三基色光合成模块3合成彩色成像光线，并经成像透镜模块7投射成像。

LCD液晶成像板驱动模块8与红色LCD液晶成像板2、绿色LCD液晶成像板4及蓝色LCD液晶成像板6电连接，用于接收VGA视频信号，并驱动红色LCD液晶成像板2、绿色LCD液晶成像板4及蓝色LCD液晶成像板6工作。

LED光源驱动电源模块9分别与红色LED光源模块1、绿色LED光源模块5、第一蓝色LED光源模块19、第二蓝色LED光源模块20、LCD液晶成像板驱动模块8相连，用于驱动各光源模块发光，控制其工作状态，同时驱动LCD液晶成像板驱动模块8。

LED光源模块温度检测模块10安放在红色LED光源模块1与第一蓝色LED光源模块19中间，用于检测左侧两光源模块的工作温度；LED光源模块温度检测模块11安放在绿色LED光源模块5、第二蓝色LED光源模块20中间，用于检测左侧两光源模块的工作温度。

LED光源模块散热风机12、13、14、15分别设置在靠近红色LED光源模块1、绿色LED光源模块5、第一蓝色LED光源模块19、第二蓝色LED光源模块20的位置，两个用于送风，两个用于排风，为各光源模块散热降温。

散热风机驱动模块16分别与LED光源模块散热风机12、13、14、15电连接，用于驱动各LED光源模块散热风机。

温度控制模块17分别与LED光源模块温度检测模块10、11、LED光源驱动电源模块9、电源模块18相连，用于接收处理来自LED光源模块温度检测模块10、11的温度信号，并控制电源模块18、LED光源驱动电源模块9工作状态。当温度检测模块中任何一个出现温度过高信号，温度控制模块17会有信号输出，使与之相连的LED光源驱动电源模块9停止工作，关闭各LED光源模块及LCD液晶成像板驱动模块8，并使电源模块18延时关闭，使散热风机延时工作，并输出故障信号。

电源模块18分别与散热风机驱动模块16、LED光源驱动电源模块9、温度控制模块17相连，并为之供电。

如附图3、4所示：上述红色LED光源模块1、绿色LED光源模块5及第一蓝色LED光源模块19、第二蓝色LED光源模块20均由LED发光体22、球冠形凹面基板23、汇聚透镜24、遮光板25、散热器26及聚光杯27构成。

所述球冠形凹面基板23由高导热率、不导电、耐高温材料制成，一侧为平面，一侧为球冠形凹面。

散热器26与球冠形凹面基板23的平面一侧固定连接。可以选用现有技术中各种形式的散热器，如金属基散热器、相变散热器等。

若干LED发光体布设于球冠形凹面基板23的凹面一侧，各LED发光体产生的圆柱形光线均能通过凹面球心，具体为：各LED发光体22以凹面球冠顶点为中心，按环形均布在球冠形凹面基板23上，凹面球冠大小由投影机设计亮度和体积决定，投影机设计亮度越高，所需红绿蓝LED发光体22越多，凹面球冠面积就越大。

汇聚透镜24通过聚光杯27设置在球冠形凹面基板23凹面球心的外侧，用于将LED发光体22产生的光线汇聚成无畸变和色差的三基色圆柱形光线束。所述汇聚透镜24可以由一系列的凸透镜、凹透镜组成，将LED发光体22产生的光线汇聚成直径不大于1.4英寸无畸变和色差的圆柱形光线束。汇聚透镜24输出的无畸变和色差圆柱形光线束直径，由所选用的LCD液晶成像板尺寸决定，本领域普通技术人员均可根据凹面球冠半径及LCD液晶成像板尺寸，设计出所需的透镜组合。

所述聚光杯27两端开口，一开口端与球冠形凹面基板23边沿相连接，另一开口端与汇聚透镜24边沿相连接。

遮光板25固定在汇聚透镜24光线输出一侧，其中间开一矩形窗口，作用是将汇聚透镜24输出的无畸变和色差圆柱形光线束，变成矩形光束，用于照射LCD液晶成像板。遮光板25中间矩形窗口对角线尺寸、矩形窗口长宽比例，由LCD液晶成像板尺寸决定。本实施例中优选4∶3的0.9英寸LCD液晶成像板，所选遮光板25中间矩形窗口对角线尺寸0.9英寸、矩形窗口长宽比例4∶3，汇聚透镜组24输出的圆柱形光线束直径为0.9英寸。

如附图5所示：上述LED发光体22主要由凹面凸透镜28、抛物线型聚光杯29及LED发光二极管管芯30构成。LED发光二极管管芯30固定在抛物线型聚光杯29的焦点上。凹面凸透镜28固定在抛物线型聚光杯29的开口端。所述抛物线型聚光杯29的内壁光亮有较好得反光性能。在凹面凸透镜与抛物线型聚光杯之间填充有高透光率高导热率材料。凹面凸透镜28和抛物线型聚光杯29共同组成光线汇聚系统，使LED发光体输出光线为一圆柱型平行光束。LED发光体封装后直径d不大于6mm，高h不大于7mm。LED发光二极管管芯分别选红色、绿色、蓝色，功率优选3w和5w。

实施例2：

如附图2所示，用于实现该成像方法的投影成像系统主要由红色LED光源模块1、绿色LED光源模块5、蓝色LED光源模块19、红色LCD液晶成像板2、绿色LCD液晶成像板4、蓝色LCD液晶成像板6、三基色光合成模块3、成像透镜模块7、LCD液晶成像板驱动模块8、LED光源驱动电源模块9、LED光源模块温度检测模块10、11、12、LED光源模块散热风机13、14、15、散热风机驱动模块16、温度控制模块17及电源模块18构成。

其中，红色LED光源模块1、绿色LED光源模块5、蓝色LED光源模块19分别用于产生红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束。

其特点是仅采用了一个蓝色LED光源模块19，直接照射蓝色蓝色LCD液晶成像板6。降低红绿LED光源模块1、5的功率，相对增加蓝色LED光源模块19功率，使三色光源亮度到达统一，体积更小。

其它具体的连接及控制方法与实施例一样同。

Claims (10)

1.基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像方法，其特征在于：该方法以红色LED光源模块、绿色LED光源模块及蓝色LED光源模块形成红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束和蓝色矩形基色光线束；用红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束和蓝色矩形基色光线束分别直接照射红色LCD液晶成像板、绿色LCD液晶成像板及蓝色LCD液晶成像板形成三基色成像光线束；三基色成像光线束经三基色光合成模块合成彩色成像光线，并经成像透镜模块投射成像。

2.根据权利要求1所述的基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像方法，其特征在于，所述蓝色LED光源模块由第一蓝色LED光源模块、第二蓝色LED光源模块及蓝色光合成模块构成，第一蓝色LED光源模块、第二蓝色LED光源模块形成的第一蓝色矩形基色光线束、第二蓝色矩形基色光线束经蓝色光合成模块合成为蓝色矩形基色光线束，再照射蓝色LCD液晶成像板。

3.根据权利要求2所述的基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像方法，其特征在于，红色LED光源模块、绿色LED光源模块及第一蓝色LED光源模块、第二蓝色LED光源模块均包括LED发光体、球冠形凹面基板、汇聚透镜及遮光板，若干LED发光体布设于球冠形凹面基板的凹面，LED发光体径向固定，各LED发光体产生的圆柱型平行光束经凹面球心汇聚后，再由汇聚透镜汇聚成无畸变和色差的三基色圆柱形光线束，所述遮光板设置在汇聚透镜光线输出一侧，遮光板中部开有矩形窗口，用于将汇聚透镜输出的三基色圆柱形光线束变成三基色矩形光线束。

4.根据权利要求3所述的基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像方法，其特征在于：

在球冠形凹面基板上设置有散热器，

在球冠形凹面基板与汇聚透镜之间设置有聚光杯，所述聚光杯两端开口，一开口端与球冠形凹面基板边沿相连接，另一开口端与汇聚透镜边沿相连接。

5.根据权利要求3或4所述的基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像方法，其特征在于，所述LED发光体包括凹面凸透镜、抛物线型聚光杯及LED发光二极管管芯，LED发光二极管管芯设置在抛物线型聚光杯的焦点上，凹面凸透镜设置在抛物线型聚光杯的开口端，在凹面凸透镜与抛物线型聚光杯之间填充有高透光率高导热率材料。

6.基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像系统，其特征在于，该系统包括：

红色LED光源模块、绿色LED光源模块及蓝色LED光源模块：分别用于产生红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束及蓝色矩形基色光线束；

红色LCD液晶成像板、绿色LCD液晶成像板、蓝色LCD液晶成像板、三基色光合成模块及成像透镜模块：红色矩形基色光线束、绿色矩形基色光线束及蓝色矩形基色光线束分别直接照射红色LCD液晶成像板、绿色LCD液晶成像板及蓝色LCD液晶成像板形成三基色成像光线束，再经三基色光合成模块合成彩色成像光线，并经成像透镜模块投射成像；

LCD液晶成像板驱动模块：用于接收视频信号，并驱动红色LCD液晶成像板、绿色LCD液晶成像板及蓝色LCD液晶成像板；

LED光源驱动电源模块：用于驱动红色LED光源模块、绿色LED光源模块及蓝色LED光源模块发光，并控制其工作状态；用于驱动LCD液晶成像板驱动模块；

LED光源模块温度检测模块：用于检测红色LED光源模块、绿色LED光源模块及蓝色LED光源模块的工作温度；

LED光源模块散热风机：用于红色LED光源模块、绿色LED光源模块及蓝色LED光源模块的散热降温；

散热风机驱动模块：用于驱动LED光源模块散热风机；

温度控制模块：用于接收处理来自LED光源模块温度检测模块的温度信号，并控制电源模块及LED光源驱动电源模块工作状态；

电源模块：用于为散热风机驱动模块、LED光源驱动电源模块及温度控制模块供电。

7.根据权利要求6所述的基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像系统，其特征在于，所述蓝色LED光源模块由第一蓝色LED光源模块、第二蓝色LED光源模块及蓝色光合成模块构成，

第一蓝色LED光源模块、第二蓝色LED光源模块分别形成第一蓝色矩形基色光线束及第二蓝色矩形基色光线束；

蓝色光合成模块：合成第一蓝色矩形基色光线束及第二蓝色矩形基色光线束以增强蓝色光强度。

8.根据权利要求7所述的基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像系统，其特征在于，红色LED光源模块、绿色LED光源模块及第一蓝色LED光源模块、第二蓝色LED光源模块均包括LED发光体、球冠形凹面基板、汇聚透镜及遮光板，若干LED发光体布设于球冠形凹面基板的凹面，LED发光体径向固定，各LED发光体产生的圆柱型平行光束经凹面球心汇聚后，再由汇聚透镜汇聚成无畸变和色差的三基色圆柱形光线束，所述遮光板设置在汇聚透镜光线输出一侧，遮光板中部开有矩形窗口，用于将汇聚透镜输出的三基色圆柱形光线束变成三基色矩形光线束。

9.根据权利要求7所述的基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像系统，其特征在于：

在球冠形凹面基板上设置有散热器，

在球冠形凹面基板与汇聚透镜之间设置有聚光杯，所述聚光杯两端开口，一开口端与球冠形凹面基板边沿相连接，另一开口端与汇聚透镜边沿相连接。

10.根据权利要求8或9所述的基于红绿蓝三基色LED光源的投影成像系统，其特征在于，所述LED发光体包括凹面凸透镜、抛物线型聚光杯及LED发光二极管管芯，LED发光二极管管芯设置在抛物线型聚光杯的焦点上，凹面凸透镜设置在抛物线型聚光杯的开口端，在凹面凸透镜与抛物线型聚光杯之间填充有高透光率高导热率材料。

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