CN202003131U - 固体光源单系统分时彩色投影机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单系统分时投影机，原理结构非常简单，即采用单片单色高分辨率(1024*768或以上)LCD液晶片加三基色固体半导体发光器件(LED或激光)加单路光学处理加镜头实现彩色原理：通过大规模集成电路把彩色信号分解成三基色信号用一片LCD分时显示，因为分时的时间非常短，在10微秒或以下，由于人眼睛的“光暂”作用，看起来仍然是完整的彩色图像。

Description

固体光源单系统分时彩色投影机

技术领域

本实用新型涉及一种固体光源单系统分时彩色投影机。

背景技术

随着现代视频技术的发展，越来越倾向于高清晰和大屏幕的视觉效果，传统清晰度(指分辨率在800*600及以下)的视频或数字投影机已经远远不能满足大屏幕高清晰投影的要求，因此越来越多的高清晰投影机方案被人们采用，首先是主流的三大投影显示技术(LCD、LCOS、DLP)制造商已经把显示芯片的分辨率提高到1024*768及以上，尤其是目前最成熟的单片高分辨率单色LCD液晶板，经过数十年发展，已经完全成熟而且价格低廉，相关器件配套方便，同时由于固体发光光源技术的逐步成熟，超小型化、单片高亮化等关键性技术瓶颈已经取得重大突破，这就为实现高清晰投影打下先决基础条件。

目前实现高清晰投影的方法主要有二大类，第一大类是以LCD(透过式液晶显示器件)为主导的液晶显示技术，如图1所示，其主要结构是：采用三片LCD 61、62、63为图像显示器件，以HID 5(金属卤化物气体放电灯)为光源，设置红绿蓝三色分光镜片及三基色图像合成棱镜7。工作原理是：HID光源5发出的白色光经过红绿蓝三色分光镜片分解成红绿蓝三种基色，分别照射到各自对应的LCD 61、62、63上，图像处理系统将彩色图像分解为红绿蓝三个基本颜色并分别控制三片LCD，经过图像合成棱镜7把三片LCD 61、62、63上的红绿蓝三基色图像合成为彩色图像并由镜头8显示。

在三片LCD技术运用之前，曾经大量采用单片彩色LCD技术，结构简单，无需分光系统及图像合成系统，但是因为需要在一片较小面积液晶屏上实现高分辨率彩色图像，制造难度极大，而且光透过率很低，虽然采用大面积单片彩色液晶制造技术可以提高分辨率和透光率，但又会造成产品废品率提高，机器体积庞大，亮度均匀性差等弊端，只能实现较低分辨率低(800*600及以下)以及较低亮度，其清晰度及亮度均不能满足高清晰大屏幕之要求；三片LCD技术是采用三片单色LCD合成彩色高清晰图像的，使小体积高分辨率的投影液晶屏制造难度大大降低，比 较容易实现高清晰，高亮度的投影效果。

上述LCD方案的弊端在于：必须使用的元器件过多，如分光系统，三基色显示系统及图像合成系统，造成综合成本高，体积较大，光学器件生产制造困难，整机调试复杂等，因此不利于大众普及使用，通常应用于要求较高的场合。

第二大类是以DLP(数字微镜显示技术)为主导的反射式投影技术，其主要结构是：采用一片至三片DMD(数字微镜芯片)为图像显示器件，以(金属卤化物气体放电灯)为光源，单片DLP结构原理较简单，HID光源发出的白色光经过一个色轮或棱镜分解为若干颜色(3-6色)投射到DMD上，经反射后经由镜头投射放大，实现大屏幕彩色显像；此方案也能够实现高清晰，高亮度的投影效果。但其关键器件色轮(或棱镜)制造工艺复杂，要求极高，并且有机械运动器件，寿命较短且较容易损坏。三片DLP结构原理相当复杂，HID光源发出的白色光经红绿蓝三色分光镜片分解成红绿蓝三种基色，分别照射到各自对应的DMD上，再经过图像合成棱镜把三片DMD的红绿蓝三基色图像合成为彩色图像。上述方案也能够实现高清晰，高亮度的投影效果。

三片DLP方案的弊端与三片LCD相同，都必须使用大量的元器件，包括多路显示系统和多路光学系统，成本高，体积大，生产制造和工艺调试等均相当困难，特别是使用三片显示器件的方案，其图像合成要求极高，对合成棱镜的生产制造与整机的工艺调试均有极高要求。

目前非主流的显示技术还有LCOS(反射式液晶显示器件)、SP(另一种反射式微镜显示器件)、等等，但问世时间较短，技术尚不成熟，价格较高，而且分辨率和亮度等指标均未能达到高清高亮水平，有待逐步提高和经历市场与时间考验。

同时随着固态发光光源的发展，在LCD投影机中应用固体发光光源(LED或激光)的方案也逐渐出现。如图2所示，由于其仍然采用与传统LCD投影机同样的空间混色法进行投影，因此其结构仍然很复杂，包括绿色LED光源51、红色LED光源52、蓝色LED光源53、绿光显像系统61’、红光显像系统62’、蓝光显像系统63’、合成棱镜7’和镜头8’。工作原理是：绿色LED光源51、红色LED光源52、蓝色LED光源53发出的红绿蓝三色光，分别照射到各自对应的显像系统61’、62’、63’上，经过图像合成棱镜7’把三套显像系统61’、62’、63’上的红绿蓝三基色图像合 成为彩色图像并由镜头8’显示。

上述三片式方案的投影技术均是采用空间混色法来进行投影成像，即三基色图像通过合成棱镜直接叠加，该方法首先是三基色光源在三套相应的成像系统下分别得到三基色图像，然后再通过合成棱镜将三色图像进行叠加，该叠加过程需要将三色图像中点对点进行叠加，才能得到最终的彩色投影图像。空间混色法首先要得到三基色图像，如此需要三路显示系统和三路光学系统，使投影仪结构变的复杂，成本高，体积大，生产制造和工艺调试等均相当困难。另外，由于叠加图像需要对三色图像点对点进行叠加，对合成棱镜的要求提高，进一步复杂了整个投影机的结构。而上述单片式方案的投影技术中虽然也有个别采用了时间混色法，但是因为技术条件限制，未能采用大功率小体积的固态发光光源，因此在亮度、对比度和显色上均未能达到满意的效果。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长的高分辨率投影机。

本实用新型的单系统分时投影机，包括三基色光源、光源合成棱镜、成像系统和镜头，三基色光源分时将三基色光分别通过合成棱镜照射到成像系统，成像系统分时接收三基色光并分时显示三基色图像，通过镜头照射得到彩色图像。

进一步，所述光源三基色LED光源或者三基色激光光源是一种超小体积高光效、高亮度的固体发光光源。LED光源其发光面积小于15*12MM，发光亮度大于140Lm/W。激光光源在距离发光管前方4厘米处光斑面积为直径18mm左右。

进一步，所述成像系统包括分辨率1024*768或以上的单片单色LCD液晶板。

进一步，所述成像系统中还包括时序同步控制装置，该时序同步控制装置用于控制所述三基色光源的发光顺序与所述成像系统上显示的三基色图像时序同步。

本实用新型的方案克服了传统高清晰投影机所必须的多路显示系统和多路光学系统必须使用大量的元器件所造成的成本高、体积大、生产制造和工艺调试困难等弊端。利用了人类视觉的生理特征，把原来需要 三片LCD配合三基色光路才能实现的彩色投影方式简化到一片LCD配合一套光路即可实现彩色投影，简单实用、经济可靠，体积减小、重量减轻，调整特别简单；彻底解决了其它方案元器件多，调整复杂，经济性差等缺陷。

附图说明

图1为传统空间混色法投影机的光路示意图；

图2为现有采用固态光源投影机的光路示意图；

图3为本实用新型实施例1中投影机的光路示意图；

图4为本实用新型实施例2中投影机的光路示意图。

具体实施方式

本实用新型是采用现有的单色高分辨LCD图像显示器件，引入最新的固体光源LED或半导体激光光源，运用时间分色理论实现小体积低成本的高清晰彩色投影方案；本方案取消了传统投影机内复杂的光源分色及图像合成系统，大大简化光源及光路结构，降低成本和缩小体积，由于采用了最新的以环保节能为标志的固体发光技术和半导体发光器件，大大降低了使用成本，并极大提高了投影机的使用寿命，是一种创新型的现代投影技术理论和实践。

本实用新型采用的当今最先进的环保型半导体发光光源即LED光源和固体激光光源作为投影光源的。半导体发光技术是20世纪最伟大的实用新型之一，此项技术完全颠覆了传统光源的发光原理、生产技术与生产工艺，使用方式和消费理念，是一种全新的在高新技术背景下产生的绿色环保光源。它的出现，体现了新材料、新工艺、新技术的创新性与革命性的巨大优势。其特点是清洁无污染、体积小、光效高、超长寿命(20年)、低电压安全驱动，属于绿色环保的新型光源。半导体光源本世纪初开始在照明领域开展运用，现阶段已经广泛应用在照明领域和其它领域。本项目把固体发光技术引入投影机的整体设计之中，融合了当今最先进的LED技术和半导体激光技术；彻底解决了传统投影机光源采用的气体放电灯泡(HID)所产生的几大弊端：弊端一是生产及使用环节产生的环境污染，因为制造金卤灯必须采用大量的汞、铅、稀土金属等，这些有毒有害物质还会随着灯泡寿命的终结产生二次污染，造成更大的 环境问题，提高回收处理成本；生产中需要高温高热、消耗大量能源。弊端二是生产技术和工艺复杂且产品稳定性与一致性差，弊端三是使用环境要求高，因HID灯泡使用时产生近千度的高温，需要设计高效率的导风排风系统，而且驱动灯泡还需要数千乃至上万伏高压，其驱动电源异常复杂。弊端三是光效低、光衰大、寿命短。HID灯的使用寿命在几千小时以内，在使用中会发生光衰现象，亮度和色温等重要指标都会随之下降，严重影响到图像的效果，它的光效只有100lm/W，大量的能源未能转化为光输出，而是转化为有害的热量白白损失掉，其能源转换率低于40％。而且光线中包含大量的红外及紫外线，对设备造成危害，需要设置各种过滤镜来隔离，进一步提高了产品成本。由于存在以上不可克服的弊端，传统HID投影灯的生产多少年来一直被国际巨头垄断，售价奇高，大大影响投影机的购置成本和使用成本，灯的寿命短、体积大，也都影响到投影机使用的便利性和经济性。现阶段的HID灯泡经过几十年的研究开发，已经走到顶峰，几乎再无提升空间，其技术瓶颈无法创新突破。而半导体发光生产工艺日臻成熟，普通半导体工厂均可生产，随着生产技术和工艺以及性能的提高，光效直线提高、成本逐步下降，而且半导体发光属于“冷光”，即只发光，不发热，(有别于普通光源必须先发热再发光)而且通过技术手段，可以发出色度很纯的红绿蓝三基色，从而演绎出宽色域的彩色图像，满足高端的投影需求。本项目就是通过成功地引入半导体发光原理，在工艺上进行必要的技术改造，使之符合投影光源的基本要求，通过融合相关的光源控制技术，彩色图像时序显示技术等，产生了新一代的具有节能环保高效廉价经济便携等时代特征的新型投影机。

另外，本实用新型采用了时间混色法来实现彩色投影分时彩色方案又称时间混色法，与空间混色法的原理区别在于前者是三基色图像按时序快速更换叠加，后者则是三基色图像通过合成棱镜直接叠加，前者只需要一套光路一个显示器件，后者需要三套光路三个显示器件。时间混色法的一个重要前提是需要把图像和光源都分成基色，图像按三基色时序分别显示在同一片显示器件上，三基色光源则按图像的时序同步发光，它要求图像的显示频率要达到人眼察觉不到闪烁的程度，即高于每秒120帧的刷新速率，光源的色纯度要很高，亮度要足够而且亮暗交替时间要求极短。本实用新型投影机中的合成棱镜只是对三基色光线进行汇合， 并不需要像传统投影中合成棱镜还要起到合成图像的作用，因此相比传统投影机中合成棱镜其参数要求更低，结构更为简单。

以下结合附图具体介绍本实用新型的两种投影机：

实施例1：

如图3所示，本实用新型的投影机包括红色LED光源11、绿色LED光源12、蓝色LED光源13、合成棱镜2、单片LCD液晶板3和镜头4，红色LED光源11、绿色LED光源12、蓝色LED光源13按一定顺序，通过合成棱镜2聚焦，分别将红光、绿光和蓝光照射在一片LCD液晶板3上，LCD液晶板3分时接收三基色光并分时显示三基色图像，此过程需控制三基色光源的发光顺序与LCD液晶板3上得到的三基色图像时序同步，且控制三基色光源分时显示时间在10微秒或以下，最后通过镜头4照射得到彩色投影图像。

实施例2：

如图4所示，为本实用新型投影机的另一种形式，与实施例1的投影机相比，其将LED三基色光源换成红色激光光源11’、绿色激光光源12’、蓝色激光光源13’，其它结构均与实施例1中相同。

本实用新型的原理结构非常简单，即采用单片单色高分辨率(1024*768或以上)LCD液晶片加三基色固体半导体发光器件(LED或激光)加单路光学处理加镜头实现彩色原理：通过大规模集成电路把彩色信号分解成三基色信号(与上述三种方案中的三片显像相同)用一片LCD分时显示(有别于三片的同时显示)因为分时的时间非常短，在10微秒或以下，由于人眼睛的“光暂”作用，看起来仍然是完整的彩色图像。

需要指出的是根据本实用新型的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本实用新型的精神以及权利要求记载的范围。

Claims (4)

1.一种单系统分时投影机，其特征在于，包括三基色光源、合成棱镜、成像系统和镜头，三基色光源分时将三基色光分别通过合成棱镜照射到一套成像系统，成像系统分时接收三基色光并分时显示三基色图像，通过镜头照射得到彩色图像。

2.如权利要求1所述的单系统分时投影机，其特征在于，所述三基色光源三基色LED光源或者三基色激光光源。

3.如权利要求1所述的单系统分时投影机，其特征在于，单系统分时投影机，其特征在于，所述成像系统包括分辨率1024*768或以上的单片单色LCD液晶板。

4.如权利要求1所述的单系统分时投影机，其特征在于，单系统分时投影机，其特征在于，所述成像系统中还包括时序同步控制装置，该时序同步控制装置用于控制所述三基色光源的发光顺序与所述成像系统上显示的三基色图像时序同步。

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