CN203732864U - 投影显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种投影显示装置，包括发光装置，还包括数字微镜器件光阀，发光装置发出的光入射于数字微镜器件光阀并经过其调制而携带图像信息；其中，数字微镜器件光阀中的微镜旋转轴走向为u方向，发光装置发出的光入射于数字微镜器件光阀的光锥在u方向的发散角大于在垂直于u方向上发散角。本实用新型的投影显示装置中，入射于数字微镜器件光阀的光锥在垂直于u方向上的发散角比较大，因此可以有更多的光被数字微镜器件光阀所调制，故而实现更高的亮度。

Description

投影显示装置

技术领域

本实用新型涉及显示领域，特别是涉及一种投影显示装置。

背景技术

投影显示技术目前发展迅速。投影显示的原理是，使用光源来提供光束，该光束照射到一个光阀上，光阀对该光进行调制使其携带图像信息，该携带了图像信息的光再被一个投影镜头投射出来就形成了投影图像。传统上光源使用高压汞灯光源，近年来发光二极管（LED）光源作为一种新型的光源已经在投影显示技术中得到了广泛的应用，其优点在于寿命比传统光源长十倍以上。

然而发光二极管作为光源的一个重要问题在于，由于投影屏幕一般为4：3或16：9的长方形，因此光阀必须与之匹配，即光阀也是4：3或16：9的长方形。而发光二极管的发光面为矩形，其长宽比往往不能与光阀的长宽比很好的匹配。这样，发光二极管发出的光被成像到光阀的调制表面时，为了使得光阀的全部调制表面被覆盖满，发光二极管的像面上就有部分光无法被利用，这造成了效率的损失。

发明内容

针对上述的问题，本实用新型提出一种投影显示装置，包括发光装置，还包括数字微镜器件光阀，发光装置发出的光入射于数字微镜器件光阀并经过其调制而携带图像信息；其中，数字微镜器件光阀中的微镜旋转轴走向为u方向，发光装置发出的光入射于数字微镜器件光阀的光锥在u方向的发散角大于在垂直于u方向上发散角。

本实用新型的投影显示装置中，入射于数字微镜器件光阀的光锥在垂直于u方向上的发散角比较大，因此可以有更多的光被数字微镜器件光阀所调制，故而实现更高的亮度。

附图说明

图1a是本实用新型的发光装置的一个举例从y方向看过去的正视图；

图1b是图1a所示的发光装置从x方向看过去的正视图；

图1c是本实用新型的发光装置的光收集透镜组的第一片透镜的仰视图；

图2a是本实用新型发光装置另一个发光装置举例的从y方向看过去的正视图；

图2b是图2a所示发光装置的从x方向看过去的正视图；

图3a是本实用新型另一个发光装置举例的结构示意图；

图3b是图3a所示发光装置中反射环的俯视图；

图4是本实用新型另一个发光装置举例的结构示意图；

图5是本实用新型另一个发光装置举例的结构示意图；

图6a是图5实施例中假设使用沿x方向和y方向均相同的光收集透镜时激光在波长转换层上的光斑示意图；

图6b为激光快轴沿着光收集透镜焦距较小的方向时激光在波长转换层上的光斑示意图；

图6c为在图6b基础上使准直透镜离焦后的激光在波长转换层上的光斑示意图；

图7为数字微镜器件光阀中微镜的工作原理示意图。

具体实施方式

本实用新型提出一种发光装置，其第一个实施例的结构示意图如图1a和1b所示。该发光装置包括发光二极管光源101，该发光二极管光源101的发光面为矩形，矩形相邻的两个边的走向分别为x方向和y方向。图1a表示了该发光装置沿着y方向的方向看过去的正视图，而图1b表示了该发光装置沿着x方向看过去的正视图（见两图左下角的坐标系示意）。可以理解，在图1a中发光二极管光源101的长度为其走向为x方向的边长，而图1b中发光二极管光源101的长度为其走向为y方向的边长。可以明显看出两个边长不同，因此在该实施例中发光二极管光源的发光面为长方形。实际上这两个边长也可以相同，那样则发光二极管光源的发光面为正方形。

发光装置还包括光收集透镜，在本实施例中光收集透镜为光收集透镜组，由两片透镜102和103共同组成，该光收集透镜组用于收集发光二极管光源101发出的光。透镜102沿着光路方向包括依次包括两个光学曲面102a和102b，光学曲面102a为凹面，在图中以细纹网格表示；透镜102沿着光路方向依次包括两个光学曲面103a和103b，其中光学曲面103b以粗纹网格表示。在本实施例中，光学曲面102a和光学曲面103b具有这样的特点：在x方向的过光轴的截线和在y方向的过光轴的截线的形状不同。这可以通过比较图1a和图1b看出来。图1a中的光学曲面102的宽度明显比图1b中的光学曲面102的宽度要宽，而图1a中光学曲面103b的下边缘线103c为中心下凸的曲线，图1b中光学曲面103b的下边缘线103c为中心上凸的曲线，这在圆形孔径的透镜上说明曲面103b在x和y两个方向上的截线不同，沿着y方向的曲率更大，焦距更小。进一步的在图1c中表示了光学曲面102a的仰视图。

可以理解，由于光收集透镜中的存在在x方向和y方向上曲率不同的光学曲面，这使得光收集透镜在x方向的焦距与在y方向的焦距不同。这进一步使得光收集透镜对于发光二极管光源101的沿x方向的边和沿y方向的边的放大倍数不同。因此，合理的设计光收集透镜在x方向上的放大倍数和在y方向上的放大倍数就可以控制发光二极管光源在光阀上的成像的形状，该形状可以不再受到发光二极管光源的发光面的形状的制约而可以与光阀的长宽比进行合理的匹配，以实现效率的最大化。

在实际应用中在发光装置后端还可能不是光阀而是其它的光接收元件，该光接收元件对入射光存在口径或入射角度的限制。光阀只是这种有限制的光接收元件中的一种，光阀是对于光束口径的长宽比的限制，而若是具有矩形单元的复眼透镜则对于入射光束的在两个相互正交的方向上的入射角的比例存在限制。例如复眼透镜的单元的长宽比为4:3，则入射于复眼透镜单元的光束在沿着长方向和宽方向上的发散角度比例也应近似为4:3，若该比例不匹配则多余的部分角度光会形成旁瓣而不能被利用。

对于光收集透镜中在x方向和y方向上的曲率的分别控制，可以控制光收集透镜在这两个方向上分别的焦距，进一步的可以控制发光二极管光源出射光在这两个方向上分别的发散角度或放大倍数。实际上发散角度就对应于在远场的成像放大倍数，因此发散角度和放大倍数是统一的。

举例来说，发光二极管芯片在x方向上长1.2mm，在y方向上长2.0mm，此时如果使用在x方向和y方向上相同的光收集透镜，则会形成一个长宽比为3:5的光斑或者发散角度比为3:5的光束。对于长宽比为3：4的光阀这显然是不匹配的。使用本实用新型的光收集透镜，该光收集透镜在x方向上的放大倍数例如为2倍，在y方向上例如为1.6倍，这样会形成一个长宽比为2.4:3.2即3:4的光斑，正好与光阀的长宽比相匹配。

在本实施例中，光收集透镜组有两片透镜组成，其中有两个光学曲面在x方向和y方向不相同。实际上这只是举例，光收集透镜可以只是一片透镜，或者是由两片以上的透镜组成的透镜组，而光收集透镜中至少包括一个光学曲面在x方向和y方向上不同。

由于光收集透镜无论是在x方向还是y方向上都是对发光二极管光源101发出的光进行收集，因此优选的，光收集透镜在x方向和y方向的焦点重合于发光二极管光源101的发光面，这样在两个方向上的收集效率都比较高。由于光收集透镜在两个方向上的焦距不同，因此这意味着光收集透镜在x方向和y方向上的主面位置不同。

本实用新型的发光装置的另一个实施例的结构示意图如图2a和2b所示，其中图2a使用了图1a相同的坐标系，而图2b使用了和图1b相同的坐标系，即图2a是沿着y方向看过去的正视图，图2b是沿着x方向看过去的正视图。与图1a和1b所示的实施例不同的是，该实施例的发光装置中还包括光回收装置205，用于将发光二级管光源201发出的部分出射角度的光反射回发光二级管光源201。

具体来说，在本实施例中光回收装置205为位于发光二极管光源201和光收集透镜的光路之间的覆盖于发光二极管光源上的反光碗205，该反光碗205的内壁为反射面205a，可以反射发光二极管光源201发出的大角度光（例如光线212），而其余角度光（例如光线211）可以透射反光碗顶端的开口而正常的被光收集透镜收集。被反光碗205反射的光线212回到发光二极管光源201后被发光二极管光源201散射和反射并在此出射，其中较小角度的光可以被光收集透镜收集，而大角度光再次被反光碗反射，如此循环多次后发光二极管光源发出的大多数光都可以被集中于中心的一个较小角度内被光收集透镜收集到。这样的好处在于由于反光碗的作用使得光的发散角被高效率的压缩了，这有助于降低光束的光学扩展量和提高亮度。

进一步的，在本实施例中，比较图2a和图2b可以看出，在x方向和y方向上反光碗顶端的开口宽度并不同，这实际上对应于光收集透镜在x方向和y方向上不同的收光角度。可见反光碗的开口可以根据光收集透镜的设计来做调整，若后者在两个方向上的收光角度不同则反光碗所反射光的出射角范围也随之不同。例如，光收集透镜在x方向上收集60度，在y方向上收集45度，则反光碗就在x方向上反射60度至90度的光，在y方向上则反射45度至90度的光。这样能够最大程度的利用光能量。

在图2a和2b所示的实施例中，光回收装置为反光碗，而实际上光回收装置也可以是其它形式的光学元件。例如在本实用新型的另一个实施例中，如图3a所示，该发光装置中的光回收装置为位于光收集透镜内部的反射环305，从发光二极管光源301发出的大角度光312经过第一片收集透镜后入射于反射环305，并被其反射回第一片收集透镜并最终入射于发光二极管光源301表面。反射环305的俯视图如图3b所示。反射环的位置也可以位于光收集透镜的光路后端，如图4所示的实施例所示的，发光二极管光源401发出的大角度光412经过光收集透镜收集并准直后入射于反射环405，被反射环405反射后则再次回到发光二极管光源表面。图3a和图4中所示的反射环与图2a中所示的反光碗相比尺寸较大更易于加工，且其截线可以为直线或曲线，但其缺点在于能够反射回发光二极管光源的光较少，因此效率稍低。

本实用新型的发光装置的另一个实施例的结构示意图如图5所示，在该实施例中与上述实施例不同的是，发光二极管光源501包括发光二极管芯片和覆盖于发光二极管芯片表面的波长转换层，发光二极管芯片发出的光激发波长转换层发射受激光；还包括激光光源506，激光光源506发出的激光513经过光收集透镜后从波长转换层的上方入射于波长转换层并使其产生受激光511。此处的波长转换层的上方指的是波长转换层所产生的受激光的光出射方向。

由于波长转换层可以同时被发光二极管芯片发出的光和激光513从两个方向所激发，因此其亮度更大。在本实施例中，还包括准直透镜507用于为激光光源准直，而若激光光源本身发出的光已经足够准直则准直透镜507可以省略。本实施例的发光装置还包括分光滤光片508，用于透射激光513同时反射受激光511，这样可以引导出射的受激光511与激光513的光路相分离，放置受激光511入射于激光506上而造成效率损失。在实际应用中，分光滤光片还可以是其它的分光装置，例如中心带孔的反射镜，该反射镜引导激光506从孔中穿过同时引导受激光从孔周围的反射镜反射。分光装置是现有技术，有很多专利文档和文献可以详细说明了这个问题，因此此处不做赘述。

若光收集透镜在x方向和y方向相同，则激光513入射于波长转换层所形成的的光斑将为一个长条形，如图6a所示。图6a为波长转换层601的俯视图，光斑613为激光513入射于其上所形成的光斑。之所以光斑613为长条形主要是由激光本身的特性决定的。激光的快轴方向的角度大，慢轴角度则小很多，因此快轴方向就是该长条形光斑的长边方向。优选的，在本实施例中，激光光源发出的激光的快轴方向平行于x方向和y方向中光收集透镜的焦距较短的方向。这样快轴方向的光将被更多的压缩，这样所形成的光斑如图6b中的613b所示。此时可以通过将准直透镜507离焦而使得光斑613b等比例的放大，得到如图6c中的光斑613c。与图6a中的光斑613a相比，光斑613c的长轴长度相同，但是短轴变大了，因此光斑面积变大了，这有利于降低激光的光功率密度和提高波长转换层的转换效率。

显然本实施例也可以应用图2a至图4所示的实施例中的光回收装置来提高光的出射亮度。

本实用新型还提出一种投影显示装置，包括上述的发光装置，还包括数字微镜器件(digital micro-mirror device, DMD)光阀，发光装置发出的光入射于数字微镜器件光阀并经过其调制而携带图像信息。

数字微镜器件光阀中的微镜的示意图如图7所示，微镜781的旋转轴782走向为u方向。微镜781在垂直于u方向的平面内翻转，其翻转角度范围很小，一般为正负12度，这也就限制了入射于数字微镜器件光阀的光锥的发散角，因为若发散角大于正负12度则微镜781就不足以通过翻转将入射光和反射光的光锥分离。

也就是说，正是由于微镜781的翻转才限制了入射光光锥在翻转方向上的角度范围，那么实际上入射光光锥在轴的走向（即u方向）上的角度范围并不受限制，即在u方向上入射光锥的发散角能够大于正负12度。可以理解，所允许的入射角越大则能够进入光阀的光就越多，投影图像就越亮。在使用传统光源时，由于入射于光阀上的光锥都是圆锥形，即在各方向发散角相同，因此设计人员不会想到利用数字微镜器件光阀在u方向上接收角度可以比较大这一特点。而利用本实用新型中发光装置发出的光在两个垂直维度上可以分别控制比例的特点同时结合数字微镜器件光阀的这一特点，可以使发光装置发出的光入射于数字微镜器件光阀的光锥711在u方向的发散角大于在垂直于u方向上发散角，这样可以提高亮度。

当然可以理解，若使用其它形式的光源只要满足入射于数字微镜器件光阀的光锥在u方向的发散角大于在垂直于u方向上发散角，就可以实现提高亮度的目的；而是用本实用新型中的发光装置只是其中的一种优选的方法。

本实用新型还提出一种发光系统，其特征在于，包括上述的发光装置，发光装置发出的光束的孔径和角度与其后端的接收光学系统的接收孔径和接收角度相匹配。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种投影显示装置，其特征在于：

包括发光装置，还包括数字微镜器件光阀，发光装置发出的光入射于数字微镜器件光阀并经过其调制而携带图像信息；

其中，数字微镜器件光阀中的微镜旋转轴走向为u方向，发光装置发出的光入射于数字微镜器件光阀的光锥在u方向的发散角大于在垂直于u方向上发散角。

2.根据权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于：

所述发光装置包括发光二极管光源，该发光二极管光源的发光面为矩形，矩形相邻的两个边的走向分别为x方向和y方向；

还包括光收集透镜，用于收集发光二极管光源发出的光；该光收集透镜中至少包括一个光学曲面，该光学曲面在x方向的过光轴的截线和在y方向的过光轴的截线的形状不同，使得光收集透镜在x方向的焦距与在y方向的焦距不同。

3.根据权利要求2所述的投影显示装置，其特征在于，发光装置中，光收集透镜在x方向和y方向的焦点重合于发光二极管光源的发光面。

4.根据权利要求2所述的投影显示装置，其特征在于，发光装置还包括光回收装置，用于将发光二级管光源发出的部分出射角度的光反射回发光二级管光源。

5.根据权利要求4所述的投影显示装置，其特征在于：

   所述光回收装置为位于发光二极管光源和光收集透镜的光路之间的覆盖于发光二极管光源上的反光碗；或者，

   所述光回收装置为位于光收集透镜内部或光路后端的反射环。

6.根据权利要求4所述的投影显示装置，其特征在于，所述光回收装置在x方向和y方向的所反射的光的出射角范围不同。

7.根据权利要求2所述的投影显示装置，其特征在于，发光装置中发光二极管光源包括发光二极管芯片和覆盖于发光二极管芯片表面的波长转换层，发光二极管芯片发出的光激发波长转换层发射受激光；发光装置还包括激光光源，激光光源发出的激光经过光收集透镜后从波长转换层的上方入射于波长转换层并使其产生受激光。

8.根据权利要求7所述的投影显示装置，其特征在于，激光光源发出的激光的快轴方向平行于x方向和y方向中光收集透镜的焦距较短的方向。