照明系统及其在视频显示单元中运行的方法

专利名称：照明系统及其在视频显示单元中运行的方法
技术领域：
' 本发明属于视频显示技术领域，尤其涉及投影式视频显示器照明系统的技术。
背景技术：
通常情况下，投影电视和其他的投影显示器需要采用照明系统，如釆用照 明灯管发光，这些光最终用来产生图像。很多的图像显示系统，如高温多晶硅
4视机(HTPS)或者数字光处理(DLP )系统，都包括照明系统，利用一个 专门的高压汞弧灯作为光源。这种灯给照明系统^是供最初的白光，这些光后来 被光学元件(如色轮)分裂或者分散为三个原色，即红、绿、蓝(RGB)。此后， RGB光通过另外的光学器件混合后产生彩色图像。
上述采用汞弧灯作为照明光源的照明系统存在较多的不足，如汞弧灯的寿 命较短，需要频繁更换；此外，由于上述的照明系统中，照明系统依靠单一的 汞弧灯发光， 一旦该汞弧灯出现故障，将导致整个照明系统不可用；此外，上 述照明系统中，光学元件和其他用来进行光分裂或者混合装置的光聚集效率较 低，这将影响到图^象质量，并且上述用来进行光分裂或者混合的装置可能占用 照明系统较大的空间，因此，这些装置将导致投影电视和其他的投影显示器的 尺寸扩大。更换弧灯时，需要拆卸投影电视和其他的投影显示器的其他部件， 操作繁瑣。而且，弧灯中使用的汞属于对环境有害的物质。
因此，有必要设计一种不使用弧灯作为照明源的视频显示装置，并且还能 提供高效的照明光源。

发明内容
本发明的目的在于提供一种照明系统及其在视频显示单元中运行的方法， 旨在解决现有技术中存在的视频显示单元照明系统尺寸过大、维护繁瑣的问题。
本发明是这样实现的， 一种照明系统，所述的照明系统包括两个或者两个 以上的照明模块、两个或者两个以上的偏振模块和两个或者两个以上的偏振转
换装置，其中
所述的照明模块包括两个或者两个以上的LED,用来发射光； 所述的偏振模块设置于所述的LED模块之后，每一偏振模块用来对其对应
的照明模块发射的光进行偏振，将各照明模块发射的光转换成不同偏振模式的
偏振光；
所述偏振转换装置设置于所述的偏振模块之后，用来将所述照明模块发射 不同偏振模式的偏振光转换成统一偏振模式的偏振光。
所述的偏振转换装置包括两个或者两个以上的偏振光束分离器和两个或者 两个以上的选色器。
所述的偏振转换装置包括至少一个偏振光束分离器，至少一四分之一波长 膜，以及至少一平面镜，所述的平面镜与所述的四分之一波长膜成45度角设置。
所述的偏振转换装置用来将S型偏振光转换成P型偏振光。
所述的偏振转换装置还用来将S型偏振光偏转90度。
所述的LED用来发射红色光或者绿色光或者蓝色光。 ,所述的照明模块还包括透镜元件，所述透镜元件的数目与对应的照明模块 中的LED凄丈目对应。
所述的透镜元件对称于穿透所述透镜元件和紧随其后设置的透镜的轴线分布。
所述的透镜元件不对称于穿透所述透镜元件和紧随其后设置的透镜的轴线 分布。
. 所述的透镜元件用来提高传输到视频显示单元光导器件的光的传输效率。本发明还提供了 一种视频显示单元中照明系统运行的方法，所述的方法包
括如下步骤
两个或者将两个以上包括LED的照明模块发射光； 两个或者两个以上的偏振^^莫块对与其对应的照明^t块发射的光进行偏振， 将各照明模块发射的光转换成不同的偏振模式的偏振光； 对所述不同偏振模式的偏振光进行转换，使得其具有统一的偏振模式。 所述的方法还包括
将具有统一偏振模式的偏振光传输到视频显示单元的光导器件，用来成像。 对所述照明模块发射的光进行脉冲调制。 所述的LED发射红色光或者绿色光或者蓝色光。
所述的方法还包括在对所述的所述照明模块发射的光进行偏振之前，对 其进行准直和透镜折射。
本发明还提供了一种视频显示单元，包括成像系统和投影系统，所述的视 频显示单元包括照明系统、偏振模块和偏振转换模块，其中
所述的照明系统包括两个或者两个以上的照明模块，所述的照明模块包括 两个或者两个以上用来发光的LED;
所述的偏振模块设置于所述的照明模块之后，其数目与所述照明模块的数 曰对应，用来将其对应的照明;漠块发射的光转换成不同的偏^^莫式的偏振光；
所述的偏振转换装置设置于所述的偏振模块之后，用来将不同偏振模式的 偏振光转换成统一才莫式的偏4展光。
所述的偏振转换装置包括两个或者两个以上的偏振光束分离器和两个或者 两个以上的选色器。
所述的偏振转换装置用来将S型偏振光转换成P型偏振光。
所述的偏振转换装置用来将S型偏振光偏转90度。
所述的LED用来发射红色光或者绿色光或者蓝色光。
本发明克服现有技术的不足，采用由多个LED组成的照明才莫块替换现有一见频显示单元照明系统中的弧灯，并在照明模块后设置偏振装置和偏振转换装置，
将LED发射的光经过偏振装置进行偏振，并经过偏振转换装置转换成统一的偏 振模式后传播到光导器件，使得视频显示单元的尺寸可以大幅度的P争低，并且 方便了照明系统的维护，提高了光的传输效率，同时避免了汞弧灯的使用，更 有利于环保；此外，本发明实施例提供的照明系统对照明光源进行偏振之后， 能够达到更好的成像效果。


图1是本发明实施例提供的视频显示单元的原理框图2是本发明实施例提供的照明系统12的原理框图3是本发明实施例提供包括微透镜组件的照明系统示意图4本发明实施例提供的另一照明系统的示意图5是本发明实施例提供的偏振装置的示意图
图6是本发明实施例流程图。
兵体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的视频显示单元的原理框图如图1所示，图1中标注为 10。视频显示单元IO可以是包括一个数字光处理系统(DLP)的投影电视或投 影机或类似的一见频显示单元j见频显示单元IO也可以是包括液晶显示器(LCD) 的投影电视，也可以是硅晶投影电视(LCOS)，或者高温多晶硅投影电视 (HTPS )。
视频显示单元10包括照明系统12，该照明系统12用以产生白色或彩色光， 供成像系统14产生一见频图像。照明系统12可由多个子照明系统组成，如HTPS中应用的照明系统。照明系统12包括光学和电子光学元件，这些光学和电子光 学元件用来取代传统照明系统中的弧灯。照明系统12包括脉冲调制发光二极管 (LED)组件，这些LED组件用来发光，如发射不同强度的RGB光。此外， 照明系统12还包括一个光学装置^"微透镜组件。该微透镜组件由多个透镜元 件组成，透镜元件的数目与LED的数目对应。微透镜组件用来收集LED发射 的RGB光，并用来将这些RGB光传输到孔径(aperture )。通过这种方式，照 明系统12可以高效的将其发射的光传输到视频显示单元10的光导器件。本领 域的普通技术人员都可以理解，上述的光导器件指的是安装在视频显示单元10 中的照明系统12之后的元器件。具体来说，这些元器件包括成像系统、投影系 统、屏幕，以及与之相连的光学器件。
本发明实施例中照明系统12利用多个发光二极管，而不是传统的弧灯作为 光源。换句话说，没有采用灯泡和/或分光元件，如色轮、分色镜、过滤器等， 照明系统12将LED发射的光有效混合成不同强度的有色光及白光。因此，相 对于现有技术的照明系统而言，本发明实施例提供的^L频显示单元10的照明系 统12的尺寸小于采用弧灯的照明系统。
如上文所述，照明系统12用来在成像系统14上投影、发光和聚焦。成像 系统14利用彩色光在在屏幕上24成像。本领域的普通技术人员都可以理解， 本发明实施例所述的成像系统可能包括多个子成像系统，如HTPS所使用的成 像系统一样。如图3所示，成像系统14内的多个成像装置都对应各自的照明光 源，这些照明光源与照明系统12中的类似。成^f象系统14用来产生一个或一个 以上像素模式，用来校准像素视频显示单元10的像素偏移。通常来说，成像系 统14包括DLP,利用一个或一个以上DMDS产生一个视频图像。此外，成像 系统14也可以包括液晶投影系统。本领域的普通技术人员都能够理解，实际应 用本发明提供的技术方案时，成像系统并不局限于上述的形式，其它的成像系 统也可以适用。
如图1所示，成像系统14用来将图像投影在投影系统16上。该投影系统16包括一个或者多个镜片和/或透镜，用来将成像系统14生成的图像投射到屏 幕24上。
如图2所示，为本发明实施例提供的照明系统12的原理框图。如上所述， 照明系统12包括光生成和采集元件，用来生成有色和/或白光，并将其传递到 视频显示单元10的后续元器件。照明系统12包括一个LED模块40，该LED 模块40由多个LED 42组成。每一个LED发射的光被调制为特定频率的脉冲 波。每一LED42用来发射红、绿或蓝光。具体实现时，LED42可以是集成式 的，也可以发射出不同于红、绿或蓝的光。LED42的数量在本发明实施例中为 11个，当然也可以多于或者少于11个。具体应用本发明提供的技术方案时， 照明系统12可以包括多个LED模块，每个LED才莫块中的LED的数量可以各 不相同，由设计需要、操作标准或者成本方面的因素所决定。
如果需要特别加重某一种颜色，可以通过在LED模块40中配置不同的LED 来实现42。例如，如果需要-见频显示单元10的红色色调强于蓝色的色调，则 可以在LED模块40中配置比蓝色LED更多的红色LED。其他颜色的加重也 可以通过这种方式来实现。
LED模块40采用模组化设计，其中的LED42的数量可以根据需要调整， 4-一个LED都相对独立，可以轻易的安装或者拆卸。另外，如果一个或多个 LED42失灵或出现其他故障，视频显示单元IO仍可继续工作，尽管在彩色和/ 或亮度方面会有一些影响。因此，不同于使用弧灯的照明系统，如果弧灯出现 故障，整个视频显示单元都不能工作，本发明提供的技术方案使得一个或者多 个LED出现故障时，视频显示单元IO可以继续工作。本领域的普通技术人员 都理解，LED的平均寿命是要远远大于弧灯的平均寿命的，这也是本发明技术 万案的优势之一。
照明系统12还包括多个校准元件或准直仪44，用来提高对LED 42发射光 采集的效率。具体实施时，准直仪44可直接连接LED 42,也可接近LED 42 设置，还可以环绕LED42，以便LED 42部分嵌入式准直仪44内部，这样，准直仪44可以最大限度的吸收LED 42所发射出的光。这样做可提高准直仪44 采集光的效率，确保大部分LED 42发射的光得到有效利用。 '照明系统12还包括微透镜组件46,该微透镜组件46包括多个光学元件， 由多个微透镜或者透镜元件组成，其数量与LED模块40中的LED 42对应， 每一微透镜都用来采集LED42或者准直仪44发射的光。此外，在采集到LED 42发射的光之后，微透镜组件46将光传递到设置在其后的透镜48,同时改变 光的传输方向，这样可确保将LED 42发射的光最大量的传递到透镜48。透镜 48用来将光线聚焦到孔径50，孔径50用来将光线传递到由投影和成像元器件 i成的光导器件。
微透镜组件46用来影响每个LED 42在孔径50上的光强度分布。这种强 度可根据每一 LED 42中LED才莫块40的位置决定，并由孩i透镜组件46相对透 镜48和孔径50的方向确定。由此。通过照明系统12内部的孩￡透#;组件46 , LED 42发射的光在孔径50上获得的适当的强度，以便成像。如果没有微透镜 组件46， LED 42发射的光将不能有效的在孔径50上聚集，从而形成可视图像。
图3是本发明实施例提供包括微透镜组件的照明系统示意图，其中的微透 镜组件与图2和图3中的微透镜组件相同，其后设置有透镜48。图4中的微透 镜组件46包括5个孩i透镜(透镜元件)，与LED才莫块40中的5个LED对应。 实际应用时，微透镜的数目并不局限于5个，也可以是7个或者11个，与对应 的LED模块中的LED的数目对应即可。其中的孩史透镜60采用光学玻璃，如丙 烯酸化合物或者类似材质的光学玻璃。微透镜60的造型为半球形，如凸透镜。 本实施例中，孩i透4竟60面向LED模块40的一面为平面造型，而面向透镜48 的一面为半球形或者曲面造型。
如图3所示，微透镜60靠近轴线62设置，并且以轴线62为对称线对称， 具体应用时，微透镜也可以设置成非对称的。此外，每一微透镜相对轴线62、 LED模块和透镜48都有其特定的定位，这种定位使得每一微透镜都能最大限 卑的采集LED模块40中(LED模块72、 74和76同理)对应的LED发射的光。换句话说，每一微透镜都相对其对应的LED和透镜48处于最佳的位置。
图4本发明实施例提供的另一照明系统的示意图，图4种的照明系统80 可以适用于图1所示的一见频显示单元10中，照明系统80包括如图2所示的照 明系统12中的组成部分。照明系统80可以应用于要高强度照明或者有多个图 像的视频显示系统，如LCOS、 HTPS系统或者大的投影系统，这种大的投影系 统用来投影非常大的图像，如剧院、电影院或者类似场所使用的图像。
照明系统80包括三个照明模块，图中标注为82、 84和86，这三个照明模 块82、 84和86类似于图2所示的照明系统12，也就是说，每个照明模块包括 一个由多个LED组成的LED模块以及多个准直仪，如准直仪44。各个照明模 块包括不同数目的LED,每个LED将发射特定颜色的光。本发明实施例中， 照明模块82的LED发射绿色光，照明模块84发射红色光，照明模块86发射 蓝色光。
照明模块82、 84和86各包括一个微透镜组件，这些微透镜组件包括多个 微透镜60，如同微透镜组件46。这些微透镜组件的结构、功能等特征都与照明 系统12中的^f殷透^:组件相同。
照明系统80中，在照明-漠块82、 84和86之后分别设置有偏振;漠块88、 90和92，这些偏4知漠块用来接收非偏振光后进行偏振。照明系统80还包括两 个偏振光束分离器(PBSs) 94和PBSs96，用来接收分别经过偏振模块82、 84 和86偏振后的偏纟展光，并改变该偏振光的方向， -使其具有特定的偏振方向后传 播。如，PBSs94和PBSs96可以用来将S型偏振光偏转90度方向，而对P型 偏振光偏振光则不进行偏转，而是直接传输。
PBSs 94和PBSs 96分别与选色器98和IOO相连，选色器98和100用来 对特定的偏振光进行转换，如选色器98将S型偏振光转换P型偏振光；选色 器100的作用类似于选色器98; PBSs94和PBSs96，以及选色器98和100在 本发明实施例中可以统称为偏振转换装置。
上述照明系统80传输给光导器件的光为同一类型的偏振光，而其中的照明模块提供的光则是混合了不同类型的偏振光，如S型和P型。偏振模块88、 90 和92分別对照明模块82、 84和86发射的光进行偏振，形成P型或者S型偏 振光。如，照明模块82发射的绿色光经过偏振模块88偏振后变成P型偏振光， 该P型偏振光经过PBSs94、 PBSs96和选色器98和100之后传播到光导器件 102。照明模块84发射的红色光经过偏振模块90偏振后变成S型偏振光，PBSs94 将该S型偏振光偏转90度，经过偏转之后的红色光将与照明模块82发射的绿 色P型偏振光共面，然后，选色器98将该S型的红色光转换成P型偏振光， 经过这样转换之后，该红色光在到达光导器件102之前，PBSs96和选光器100 将不会对其产生影响。
同样的，照明模块86发射的蓝色光经过偏振模块92偏振后变成S型偏振 光，该S型偏转光在到达PBSs96时，纟皮PBSs偏转90度，经过偏转的蓝色光 与照明模块82发射的绿色光和照明模块84发射的红色光共面。然后，蓝色光 经过选色器100转换，将S型偏偏振光转换成P型偏转光。由此，P型偏振的 蓝色光将被传播给光导器件102。通过上述的方式，照明模块82、 84和86发 射的光将以统一的偏振^^莫式传输，如P型偏振光，传输给光导器件102。本领 域的普通技术人员都可以理解，具体应用本发明技术方案时，传输到光导器件 102的光也可以采用其他的偏转模式，如S型偏振光。
图5是本发明实施例提供的偏振装置的示意图，该偏振装置120可以应用 于图4所示的照明系统80 ，如其中的转换元件PBSs 94和PBSs 96 ，以及选色 器98和100。偏振装置120包括四分之一波长膜(QWP),该QWP与平面镜 126相连，该QWP与平面镜126成45度角设置，光线经过该QWP之后经过 平面镜反射，偏转45度。
偏振装置120的工作原理如下当S型和P型混合的偏振光投射到PBS122 上时，P型偏振光直接穿过PBS122， S型偏振光向下偏转90度到达QWP， QWP 接收S型偏振光之后，经过旋转将其转换成P型偏振光，转后出来的P型偏振 光经过平面镜126反射，转向90度，与原来的P型偏振光共面。经过上述的步
13骤之后，偏振装置120将接收的光全部转换成P型偏振光。 图6是本发明实施例流程图，包括如下的步骤 142、开始；
144、视频显示单元的照明系统发射光，该照明系统包括多个照明模块，每 个照明模块包括多个LED (本步骤还可以包括对光线准直的流程)；
146、对照明模块发射的光进行偏振，使得各个照明模块发射的光具有不同 的偏振模式，如S型和P型偏振光；
148、改变偏振光的偏振模式，如将S型偏振光转换成P型偏振光，使得 不同的照明模块发射的光具有统 一 的偏振模式；
150、具有统一偏振模式的偏振光传播到光导器件；
152、结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。
权利要求
1、一种照明系统，其特征在于，所述的照明系统包括两个或者两个以上的照明模块、两个或者两个以上的偏振模块和两个或者两个以上的偏振转换装置，其中所述的照明模块包括两个或者两个以上的LED，用来发射光；所述的偏振模块设置于所述的LED模块之后，每一偏振模块用来对其对应的照明模块发射的光进行偏振，将各照明模块发射的光转换成不同偏振模式的偏振光；所述偏振转换装置设置于所述的偏振模块之后，用来将所述照明模块发射不同偏振模式的偏振光转换成统一偏振模式的偏振光。
2、 根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述的偏振转换装置包 括两个或者两个以上的偏振光束分离器和两个或者两个以上的选色器。
3、 根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述的偏振转换装置包 括至少一个偏振光束分离器，至少一四分之一波长膜，以及至少一平面镜，所 述的平面镜与所述的四分之一波长膜成45度角设置。
4、 根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述的偏振转换装置用 来将S型偏振光转换成P型偏振光。
5、 根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述的偏振转换装置还 用来将S型偏振光偏转90度。
6、 根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述的LED用来发射 红色光或者绿色光或者蓝色光。
7、 根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述的照明模块还包括 透镜元件，所述透镜元件的数目与对应的照明模块中的LED数目对应。
8、 根据权利要求7所述的照明系统，其特征在于，所述的透镜元件对称于 穿透所述透镜元件和紧随其后设置的透镜的轴线分布。
9、 根据权利要求7所述的照明系统，其特征在于，所述的透镜元件不对称于穿透所述透镜元件和紧随其后设置的透镜的轴线分布。
10、 根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述的透镜元件用来 提高传输到视频显示单元光导器件的光的传输效率。
11、 一种视频显示单元中照明系统运行的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤两个或者将两个以上包括LED的照明模块发射光；两个或者两个以上的偏振模块对与其对应的照明模块发射的光进行偏振， 将各照明模块发射的光转换成不同的偏振模式的偏振光；对所述不同偏振模式的偏振光进行转换，使得其具有统一的偏振模式。
12、 根据权利要求11所述方法，其特征在于，所述的方法还包括 将具有统一偏振模式的偏振光传输到视频显示单元的光导器件，用来成像。
13、 根据权利要求11所述方法，其特征在于，对所述照明模块发射的光进 行脉冲调制。
14、 根据权利要求11所述方法，其特征在于，所述的LED发射红色光或 者绿色光或者蓝色光。
15、 根据权利要求11所述方法，其特征在于，所述的方法还包括在对所 述的所述照明模块发射的光进行偏振之前，对其进行准直和透镜折射。
16、 一种视频显示单元，包括成像系统和才殳影系统，其特征在于，所述的 视频显示单元包括照明系统、偏振才莫块和偏振转换才莫块，其中所述的照明系统包括两个或者两个以上的照明模块，所述的照明模块包括 两个或者两个以上用来发光的LED;所述的偏振模块设置于所述的照明模块之后，其数目与所述照明模块的数 目对应，用来将其对应的照明模块发射的光转换成不同的偏振模式的偏振光；所述的偏振转换装置设置于所述的偏振模块之后，用来将不同偏振模式的 偏4展光转4奐成统一才莫式的偏振光。
17、 根据权利要求16所述的视频显示单元，其特征在于，所述的偏振转换装置包括两个或者两个以上的偏振光束分离器和两个或者两个以上的选色器。
18、 根据权利要求16所述的视频显示单元，其特征在于，所述的偏振转换 装置用来将S型偏振光转换成P型偏振光。
19、 根据权利要求16所述的视频显示单元，其特征在于，所述的偏振转换 装置用来将S型偏振光偏转90度。
20、 根据权利要求16所述的视频显示单元，其特征在于，所述的LED用 来发射红色光或者绿色光或者蓝色光。
全文摘要
本发明提供了一种照明系统，所述的照明系统包括两个或者两个以上的照明模块、两个或者两个以上的偏振模块和两个或者两个以上的偏振转换装置，其中所述的照明模块包括两个或者两个以上的LED，用来发射光；所述的偏振模块设置于所述的LED模块之后，每一偏振模块用来对其对应的照明模块发射的光进行偏振，将各照明模块发射的光转换成不同偏振模式的偏振光；所述偏振转换装置设置于所述的偏振模块之后，用来将所述照明模块发射不同偏振模式的偏振光转换成统一偏振模式的偏振光。本发明提供的技术方案使得视频显示单元的尺寸可以大幅度的降低，并且方便了照明系统的维护，更有利于环保，能够达到更好的成像效果。
文档编号G03B21/14GK101452192SQ20071012480
公开日2009年6月10日 申请日期2007年12月4日 优先权日2007年12月4日
发明者霍尔·托内 申请人:深圳Tcl新技术有限公司