CN103229091B - 适合投影显示系统使用的混合光源装置 - Google Patents

Abstract

一种适合投影显示系统使用的混合光源装置，包括白光LED(201)和补偿光源(204)。补偿光源(204)为单色LED、激光光源或者单色LED和激光光源的混色光源。补偿光源(204)发出的补偿光为白光LED(201)发出的白光形成混合光。该混合光源装置寿命长、节能、环保。

Description

适合投影显示系统使用的混合光源装置

【技术领域】

本发明涉及光源领域，尤其是涉及适合投影系统显示系统使用的混合光源。

【背景技术】

目前应用于投影显示系统的光源一般包括有三类，分别为超高压汞灯UHP(Ultra High Performance)、LED(Light Emitting Diode)混色白光光源和激光混色白光光源。

所述超高压汞灯UHP具有如下优点：价格便宜；亮度较高，可以达到5000lm-6000lm；显色效果优秀，通常显色指数为56，通过gamma调节抑制蓝色和绿色后可达到80以上。然而，所述超高压汞灯UHP同时也具有如下缺点：寿命较短，一般在2000-6000小时左右，有的甚至低于2000小时；光电效率低，而导致耗电功率大；会聚性差，耦合效率低。目前主流大功率投影显示系统一般都采用的超高压汞灯UHP光源。

所述LED混色白光光源具有如下优点：宽色域，色彩鲜艳；寿命长，可以达到20K小时；电光效率高(100lm/w)，耗电功率小。然而，所述LED混色白光光源同时也具有如下缺点：低电压高电流驱动，无法实现稳定输出；功率较低，通常不适合用于大尺寸投影；光谱功率分布曲线与UHP的有差异，在波长550nm处缺少峰值，不能直接取代UHP光源。

所述激光混色白光光源可以由三种单色激光(绿、蓝、红)混合而成。所述激光混色白光光源具有如下优点：谱线宽度窄，约为1nm，颜色饱和度高，图像鲜艳；寿命长，可以达到20K小时；偏振输出，不需要附加处理；会聚性好，耦合效率高；电光效率高，可以达到300lm/w，耗电功率小。然而，所述激光混色白光光源同时也具有如下缺点：价格昂贵，不适于大批量生产；散斑干扰大，需要专门的退相干装置。

综上所述，LED光源或激光光源以寿命长、节能、绿色环保等显著优点将逐渐取代传统UHP光源。然而，由于激光光源昂贵的价格，暂时难以单独大规模取代UHP光源。此外，LED混合白光光源由于光谱功率分布曲线与UHP有差异，在波长550nm处缺少峰值，因此也无法直接取代UHP光源。

因此，希望提出一种改进的光源方案来克服上述问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题之一在于提供一种混合光源装置，其不仅具有寿命长、节能、绿色环保等优点，也克服了LED混合白光光源和激光混合白光光源的一些缺点。

本发明要解决的技术问题之二在于提供一种应用混合光源装置的投影显示系统，所述混合光源装置不仅具有寿命长、节能、绿色环保等优点，也克服了LED混合白光光源和激光混合白光光源的一些缺点。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种混合光源装置，其包括白光LED和补偿光源。所述补偿光源为单色LED、激光光源或单色LED和激光光源的混色光源，所述补偿光源发出的补偿光与所述白光LED发出的白光混合形成混合光。

在一个实施例中，所述补偿光源为绿色激光光源、绿色LED，绿色激光光源与红色LED的混色光源或红色激光光源与绿色LED的混色光源。

在另一个实施例中，所述混合光源装置还包括：第一分光片、第二分光片、反射镜和整形透镜组。所述第一分光片透过来自所述白光LED的白光中的与所述补偿光相近波段的光，反射其余光至所述第二分光片。透过所述第一分光片的光传播至所述反射镜，所述补偿光也传播至所述反射镜，透过所述第一分光片的光和所述补偿光在所述反射镜处混合，所述反射镜将入射光反射至所述整形透镜组。所述整形透镜组对入射光进行整形，整形后的光传播至所述第二分光片。所述第二分光片反射来自第一分光片的光，并透过来自整形透镜组的光，来自第一分光片的光与来自整形透镜组的光在第二分光片处再次混合形成所述混合光。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种投影显示系统，其包括混合光源装置、光学引擎和投影镜头。所述混合光源装置发出混合白光。所述光学引擎基于所述混合白光以及数据图像生成光学图像。所述投影镜头将所述光学图像进行投影。所述混合光源装置包括白光LED和补偿光源。所述补偿光源为单色LED、激光光源或单色LED和激光光源的混色光源，所述补偿光源发出的补偿光与所述白光LED发出的白光混合形成混合光。

与现有技术相比，在本发明中利用单色LED光源和/或激光光源对白光LED进行补偿得到混合光源，该混合光源不仅适合投影显示系统使用，还具有寿命长、节能、绿色环保等显著优点。

关于本发明的其他目的，特征以及优点，下面将结合附图在具体实施方式中详细描述。

【附图说明】

结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：

图1为传统超高压汞灯UHP、D65标准光源和白光LED的相对光谱功率分布(Relative Spectral Power Distribution)的曲线示意图；

图2为本发明中的混合光源装置200在一个实施例中的结构示意图；

图3A为本发明一个应用示例中的LED白光和作为补偿光源的绿色激光的相对光谱功率分布的曲线示意图；

图3B为根据图3A中的补偿方案补偿后的LED白光和超高压汞灯UHP的相对光谱功率分布的曲线示意图；

图4A为本发明另一个应用示例中的LED白光、作为补偿光源的绿色激光和红色LED光的相对光谱功率分布的曲线示意图；

图4B为根据图4A中的补偿方案补偿后的LED白光和D65标准光源的相对光谱功率分布的曲线示意图；

图5为采用本发明中的混合光源装置的LCD投影显示系统在一个实施例中的结构示意图；和

图6为采用本发明中的混合光源装置的LCOS投影显示系统在一个实施例中的结构示意图。

【具体实施方式】

本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来呈现，其直接或间接地模拟本发明中的技术方案的运作。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指与所述实施例相关的特定特征、结构或特性至少可包含于本发明至少一个实现方式中。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非必须都指同一个实施例，也不必须是与其他实施例互相排斥的单独或选择实施例。此外，表示一个或多个实施例的方法、流程图或功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本发明的限制。

图1为传统超高压汞灯UHP、D65标准光源和白光LED的相对光谱功率分布的曲线图示意图，其中短点虚线表示D65标准光源的相对光谱功率分布曲线，长点虚线表示UHP光源的相对光谱功率分布曲线，实线表示白光LED的相对光谱功率分布曲线。由图1可以看出，白光LED与D65标准光源的相对光谱功率分布有所差别，白光LED与UHP的相对光谱功率分布也有所差别。因此，针对白光LED的光谱功率分布，需要在相应波段进行补偿，才可以获得类似UHP或D65标准光源的光谱功率分布，进而才可以直接取代UHP光源或D65标准光源。

请参阅图2所示，其为本发明中的混合光源装置200在一个实施例中的结构示意图，所述混合光源装置200包括白光LED201、补偿光源204、第一扩束透镜202、第二扩束透镜207、第三扩束透镜206、偏振片203、第一分光片205、第二分光片211、第一整形透镜组209、第一反射镜208和第二反射镜210。

在一个实施例中，以所述补偿光源204是绿色激光光源为例进行介绍。所述白光LED201发射白光至第一扩束透镜202，所述白光经由第一扩束透镜202扩束后传播至所述偏振片203，所述偏振片203对入射白光进行偏振以使透过其光线的偏振方向与绿色激光光源204发出的绿色激光的偏振方向相同，偏振后的白光传播至第一分光片205，所述第一分光片205透过偏振白光中的绿光，反射其余光线至第二分光片211。透过第一分光片205的绿光经由第二扩束透镜207扩束后传播至第一反射镜208，绿色激光光源204发出的绿色激光经由第三扩束透镜206扩束后也传播至第一反射镜208，来自白光LED201的绿光和来自绿色激光光源204的绿色激光在第一反射镜208处均匀混合。所述第一反射镜208将入射光全反射入第一整形透镜组209。所述第一整形透镜组209用于对入射光的光束进行整形，整形后的光束经由第二反射镜210反射至第二分光片211。第二分光片211反射来自第一分光片的光线，并透过来自第二反射镜210的光线，来自白光LED201的除绿光外的其余光线和混合后的绿光在第二分光片211处均匀混合。第二分光片211发出的光线就是利用绿色激光对LED白光补偿后的光线，这样实现了利用绿色激光对LED白光的补偿。

在一个实施例中，所述补偿光源也可以采用其他波段的单色激光光源，比如红色激光光源，也可以是单色LED，比如绿色LED或红色LED，还可以是两种单色LED的混色光源、两种单色激光光源的混色光源或单色LED和单色激光光源的混色光源，此时第一分光片205和第二分光片211需要相应调整，两个分光片都需要能透过与补偿光源相同波段的光，而反射其它波段的光线。在一个实施例中，可以通过导光管或分光片来实现激光光源和/或LED的混合得到混色光源。单色LED包括绿色LED、红色LED和蓝色LED，单色激光光源包括绿色激光光源、红色激光光源和蓝色激光光源。在一个优选实施例中，所述补偿光源中包括有绿色激光光源，这样混合光源装置200得到的混合光的亮度比较高，从而可以满足大部分投影显示系统对光源亮度的要求。

在一个实施例中，在对混合光源装置200没有偏振要求的情况下，也可以不设置所述偏振片203。在另一个实施例中，所述第二反射镜210用来将来自第一整形透镜组209的光线导引至第二分光片211，如果第一整形透镜组209输出的光线能直接传播至第二分光片211，那么第二反射镜210则可以被省略。

在一个优选实施例中，所述混合光源装置200还包括有第二整形透镜组212、第三整形透镜组214和匀光器件213。所述第二整形透镜组212对来自第二分光镜211的补偿后白光进行扩束整形，扩束后的补偿后白光经由匀光器件213进行匀光处理，第三整形透镜组214对匀光处理后的补偿后白光进行再次整形并输出。在一个实施例中，所述第一整形透镜组209包括有第一整形透镜209a和第一整形透镜209b，所述第二整形透镜组212包括有第二整形透镜212a和第二整形透镜212b，所述第三整形透镜组214包括有第三整形透镜214a和第三整形透镜214b，所述匀光器件214包括一对复眼透镜。

下面列举两个所述混合光源装置200的典型应用示例。

在第一个示例中，根据超高压汞灯UHP的相对光谱功率分布来设计所述混合光源装置200，所述补偿光源204为波长550nm左右的绿色激光，所述白光LED为美国流明纳斯器件公司的LUMINUS CBT90白光LED。图3A为此应用示例中的LED白光和作为补偿光源的绿色激光的相对光谱功率分布的曲线示意图，图3B为根据图3A中的补偿方案补偿后的LED白光和超高压汞灯UHP的相对光谱功率分布的曲线示意图。可以看出，经过补偿后的白光LED基本可以直接取代现有的超高压汞灯UHP，同时本发明中的混合光源装置200也具有了寿命长、节能、绿色环保等显著优点。

在第二个示例中，根据D65标准光源的相对光谱功率分布来设计所述混合光源装置200，所述补偿光源204为波长500nm左右的绿色激光和650nm左右的LED红光的混色光源，所述白光LED为美国流明纳斯器件公司的LUMINUSCBT90白光LED。图4A为此一个应用示例中的LED白光、作为补偿光源的绿色激光和LED红光的相对光谱功率分布的曲线示意图，图4B为根据图4A中的补偿方案补偿后的LED白光和D65标准光源的相对光谱功率分布的曲线示意图。可以看出，经过补偿后的白光LED的相对光谱功率分布与D65标准光源很类似，基本可以取代一些D65标准光源的应用，同时本发明中的混合光源装置200也具有了寿命长、节能、绿色环保等显著优点。

本发明中的一个优点、特点或好处在于：在本发明中利用LED光源和/或激光光源对白光LED进行补偿得到混合光源，该混合光源不仅适合投影显示系统使用，还具有寿命长、节能、绿色环保等显著优点。

图5示意性的示出了采用了本发明中的混合光源的LCD(liquid crystaldisplay，简称LCD)投影显示系统500的一个实施例。所述投影显示系统500包括有混合光源装置520、光学引擎540、投影镜头560和屏幕(或称之为显示屏)580。

所述混合光源装置520可以为本发明中的所述混合光源装置200的任一种实施方式，其可以用来生成白光501，并将所述白光501导入所述光学引擎540内。所述光学引擎540包括分色导引镜组件、三个液晶显示面板546、547、548和光学棱镜组件(optical prism assembly)549。所述液晶显示面板546、547和548中的每个负责投影至屏幕580上的图像的三原色中的一种颜色。所述白光501进入分色导引镜组件。所述分色导引镜组件将所述白光501分离为包括红光、绿光和蓝光的三原色光，并将各原色光导引至对应的液晶显示面板。基于输入图像(此时为数据意义的图像，简称数据图像)的像素信息及入射的原色光，视频控制器(未图示)分别调制所述液晶显示面板546、547和548生成三原色图像(此时为光学意义的图像，简称为光学图像)。所述光学棱镜组件549将所述三原色图像组合为全色图像508，并将所述全色图像508投射至所述投影镜头560。所述投影镜头560将所述全色图像508直接或间接的投影至屏幕580上。

在图5示出的实施例中，液晶显示面板546负责投影至屏幕580上的图像的绿色，液晶显示面板547负责所述图像的蓝色，液晶显示面板548负责所述图像的红色。所述分色导引镜组件包括三个不同的分色镜541、542和543、两个反射镜544和545。所述分色镜541用于选择性的透过绿光502，并反射包括有红光和蓝光的剩余(红紫)光503。随后，穿过分色镜541的绿光502经由反射镜544反射至所述液晶显示面板546。同时，所述分色镜542拦截所述红紫光503，选择性的透过红光504和其它高波长光(比如红外光)，并反射蓝光505至所述液晶显示面板547。另外，所述分色镜543分离红光506，并将所述红光506反射至所述反射镜545，所述反射镜545再将所述红光506反射至所述液晶显示面板548。基于输入的图像像素信息，视频控制器(未图示)调制所述液晶显示面板546生成绿色图像，调制所述液晶显示面板547生成蓝色图像，调制所述液晶显示面板548生成红色图像。所述光学棱镜组件549将所述三原色图像组合为全色图像508，并将所述全色图像508投射至所述投影镜头560。

在其它实施例中，可以随意调整三个不同的分色镜541、542和543的分光性能，只要通过他们可以产生三原色光即可，比如可以使分色镜541透过蓝色光，而使分色镜542反射红色光，分色镜543反射蓝色光，随着分色镜的分光性能的改变，所述液晶显示面板546、547和548所负责的所述图像的原色也会随之改变。

由于采用了本发明提出的混合光源方案，可以使得LCD投影显示系统500具有寿命长、节能、绿色环保等显著优点。

图6示意性的示出了LCOS(Liquid Crystal On Silicon，简称LCOS)投影显示系统600的一个实施例。所述投影显示系统100包括有混合光源装置620、光学引擎640、投影镜头660和屏幕(或称之为显示屏)680。

所述混合光源装置620可以为本发明中的所述混合光源装置200的任一种实施方式，其可以用来生成白光601，并将所述白光601导入所述光学引擎640内。所述白光601透过线栅极化片(wire-grid polarizer)641变为S极化(S-polarized)白光602。分色镜642允许所述S极化白光602中的绿光透过，而反射包括红光和蓝光的剩余(红紫)光。所述绿光传播至第一极化分光镜(polarized beamsplitter，简称PBS)643，并被所述第一极化分光镜643反射到负责投影图像的绿色的第一LCOS器件645上，其中所述第一LCOS器件645安设于所述第一极化分光镜643的一个边缘。1/4波片(wave plate)644位于所述第一LCOS器件645前面以提高所述绿光的入射率。基于来自视频控制器(未图示)的输入图像(此时为数据意义的图像，简称数据图像)的像素信息，所述第一LCOS器件645将入射的所述S极化绿光调制为P极化(P-polarized)绿色图像，并反射所述P极化绿色图像。反射的P极化绿色图像透过所述第一极化分光镜643和波片(wave plate)646到达所述第三极化分光镜647，所述波片646将所述P极化绿色图像被转换为S极化绿色图像。

来自所述分色镜642的S极化红紫光通过窄带半波阻滞器655进入第二极化分光镜649。所述窄带半波阻滞器655仅对所述红紫光中的红波段光进行极化，因此只将红波段光由S极化转换为P极化。所述P极化红光穿过所述第二极化分光镜649和1/4波片650到达到负责投影图像的红色的第二LCOS器件651，其中第二LCOS器件651安设于所述第二极化分光镜649的一个边缘。所述第二极化分光镜649反射所述S极化蓝光，之后所述S极化蓝光穿过1/4波片653到达负责投影图像的蓝色的第三LCOS器件654，所述第三LCOS器件654安设于第二极化分光镜649的另一个边缘。由于红色图像会在第二LCOS器件651进行反射，蓝色图像会在第三LCOS器件654进行反射，因此它们的极性将发生变化。从第二LCOS器件651反射出来的红色图像变为S极化，之后所述S极化红色图像被所述第二极化分光镜649反射。从第三LCOS器件654反射出来的蓝色图像变为P极化，之后所述P极化蓝色图像穿透所述第二极化分光镜649。另一个窄带半波阻滞器648放置的靠近所述第二极化分光镜649，用于将所述红光图像由S极化转换为P极化，而对蓝色图像的极性没有影响。所述第三极化分光镜647反射所述S极化绿色图像，并将其与所述P极化红色图像和P极化蓝色图像结合以形成全色图像603。所述全色图像603通过所述投影镜头660直接或间接投影至所述屏幕680上。

由于采用了本发明提出的混合光源方案，可以使得LCOS投影显示系统600具有寿命长、节能、绿色环保等显著优点。

同样，本发明提出的混合光源方案还可以应用于数字光处理投影显示系统(digital light processing projection display system，简称DLP投影显示系统)以及其他类型的投影显示系统。

上文对本发明进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本发明的保护范围。本发明所要求保

护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。

Claims (9)

1.一种混合光源装置，其特征在于：其包括白光LED和补偿光源，

所述补偿光源为单色LED、单色激光光源、两种单色LED的混色光源、两种单色激光光源的混色光源或单色LED与单色激光光源的混色光源，所述补偿光源发出的补偿光与所述白光LED发出的白光混合形成混合光，

所述混合光源装置还包括：第一分光片、第二分光片、反射镜和整形透镜组，

所述第一分光片透过来自所述白光LED的白光中的与所述补偿光相近波段的光，反射其余光至所述第二分光片；

透过所述第一分光片的光传播至所述反射镜，所述补偿光也传播至所述反射镜，透过所述第一分光片的光和所述补偿光在所述反射镜处混合，所述反射镜将入射光反射至所述整形透镜组；

所述整形透镜组对入射光进行整形，整形后的光传播至所述第二分光片；

所述第二分光片反射来自第一分光片的光，并透过来自整形透镜组的光，来自第一分光片的光与来自整形透镜组的光在第二分光片处再次混合形成所述混合光。

2.根据权利要求1所述的混合光源装置，其特征在于，所述补偿光源为绿色激光光源、绿色LED、绿色激光光源与红色LED的混色光源或红色激光光源与绿色LED的混色光源。

3.根据权利要求1所述的混合光源装置，其特征在于，其还包括偏振片，在所述白光LED的白光传播至所述第一分光片前，所述偏振片先将所述白光LED的白光偏振化以使其偏振方向与所述补偿光的偏振方向相同。

4.根据权利要求1所述的混合光源装置，其特征在于，其还包括第一扩束透镜、第二扩束透镜和第三扩束透镜，

所述白光LED发出的白光经由第一扩束透镜扩束后才传播至所述第一分光片，

透过第一分光片的光经由第二扩束透镜扩束后才传播至所述反射镜，

补偿光源发出的补偿光经由第三扩束透镜扩束后才传播至所述反射镜。

5.根据权利要求1所述的混合光源装置，其特征在于，由所述整形透镜组整形后的光经由另一反射镜才传播至第二分光片。

6.根据权利要求1所述的混合光源装置，其特征在于，其还包括有第二整形透镜组、第三整形透镜组和匀光器件，

所述第二整形透镜组对来自第二分光片的混合光进行扩束整形，扩束整形后的光经由所述匀光器件进行匀光处理，第三整形透镜组对匀光处理后的光进行再次整形并输出。

7.一种投影显示系统，其特征在于，其包括：

如权利要求1所述的混合光源装置，其发出混合白光；

光学引擎，基于所述混合白光以及数据图像生成光学图像；和

投影镜头，将所述光学图像进行投影。

8.如权利要求7所述的投影显示系统，其特征在于，所述光学引擎包括LCOS器件或LCD面板。

9.如权利要求7所述的投影显示系统，其特征在于，其还包括有呈现所述光学图像的屏幕。