专利名称：采用led光源的lcd投影光学引擎及其投影装置的制作方法
技术领域：
本发明专利属于投影光源，投影光学系统和投影显示设备。专利特别涉及 一种采用功率白光LED阵列构成投影光源，以收集器阵列和复眼透镜阵列为主 构成投影照明系统，CF (彩色滤色)膜彩色方式的单片LCD投影光学引擎，以 及使用该光学引擎的投影装置。
称为数据(Data)投影机的前投影装置，采用UHP (超髙压汞灯)投影光源， 二向色镜或色轮彩色方式，以高分辨率、微小尺寸微显示(MD)作为成像器件。 类似的光学引擎架构也用于MD背投电视。全球MD前投影机和MD背投电视年产 销达700多万台。此外，还有一类称为视频(Video)投影机的前投影装置，它 采用金卤灯投影光源，以中低分辨率，小尺寸，带CF(彩色滤色)膜的a-Si-LCD (非晶硅液晶显示)或LTPS-LCD (低温多晶硅液晶显示)作为成像器件。视频 投影机用于娱乐场所和家庭影院，也可用做游戏和玩具，全球市场年霈求量也 以百万台计。
目前，两类前投影机均采用气体放电灯投影光源，存在光源寿命短，辐射 热量大和耗能等性能缺陷，此外，其制造过程的汞污染也受到环保法规的限制。 近几年，出现了采用RGB (红绿蓝)光LED为光源，MD为成像器件的前投影机， 它们改进了气体放电灯投影光源的寿命、辐射热、节能环保限制的缺陷。但根 据投影光束扩展原理，能够利用的光源光束扩展量必须不大于显示器件光束扩 展量，MD微显示器件的尺寸很小，LED光源的发光面积也必须很小，致使光源和投影引擎的光输出低。也有称为投影光源专用的LED，采用特殊工艺压窄光束 的出射角以便减小光源光束扩展量，发光面积相对较大，从而提高了光源和引 擎的光输出，但供应商极少，价格很高。视频投影机所采用的LCD面积可能达 到MD的数十倍，显示器件光束扩展量对光源的约束相对很小，但其流行的反射 碗加透镜的投影照明系统使得引擎效率低到难以超过1%。
本发明已经全面注意到上述情况，因此创造性地提出一种新颖的投影光源、 投影引擎和投影装置技术方案，并己达到产品实用效果。
发明内容
在本发明专利的技术方案中，投影光源、投影引擎的设计均具有显著的特点。
采用功率白光LED阵列构成投影光源。与气体放电灯投影光源相比，LED投 影光源的寿命长，无汞污染，响应时间极短，容易驱动，无辐射热量，光源光 效高。将数只到数十只功率LED排列成阵列形式，以便获得所霈的高光源光输 出，以此保证较高的照明系统光输出和投影引擎光输出。采用普通照明所用的 功率白光LED，以便实现充足的供应和低成本。
投影引擎的照明系统以收集器或收集器阵列，以及复眼透镜阵列为主构成。 收集器或收集器阵列是LED光源灯的集光元件，它收集LED的绝大部分光能， 压窄光束角度并保持高透过率。复眼透镜阵列将LED阵列发出的离散光束分为 数十到数百个小光束，并逐个叠加到LCD屏上，以便提高光束的几何形状利用 率和均匀性。光学引擎采用收集器或收集器阵列，以及复眼透镜阵列后，可以 实现高达80%的照明效率，80%的亮度均匀性和4%的引擎效率。如果分别附加采 用偏光变换器或微镜阵列，或者同时采用两者，则引擎效率可进一步提高，甚 至高达7%左右。光学引擎的成像器件采用带CF (彩色滤色)膜的单片LCD，对角线尺寸范围约1~7英寸，它被大量采用在手持式和便携式数码产品中，分辨 率和彩色等指标较好，充足供应和成本很低更是胜于MD的突出优点。CF膜彩色 方式有利于光学引擎降低成本和减小尺寸。
与采用UHP投影光源的数据投影机相比，使用本投影光源和光学引擎的投 影机的突出优点是光源寿命长，成本低，节能环保；而与采用金卤灯的视频投 影机相比，它的突出优点是长光源寿命，高光效，高亮度，髙均匀性和节能环 保。本投影光源和光学引擎也可用于其它类别投影装置，如背投电视。
本发明专利是这样实现的
将白光功率LED排列成规则的阵列，例如正多边形、矩形、圆形等。根据 光源光输出大小的不同要求，阵列中排列的LED数量分别从数只到数十只。组 成阵列的LED可以为多个芯片，排列在同一个封装内；也可以是多个已经单独 封装的LED器件。功率LED阵列和与之配套的二次光学收集器或收集器阵列、 MCPCB (金属基印制电路板)、散热器和驱动电路组成投影光源。从投影光源开 始，沿光束传播方向，依次设置复眼透镜阵列，场镜、准直镜、成像器件LCD 屏和投影镜头，从而构成本专利所指的基本光学引擎。引擎中光学元件和器件 的一个重要设计原则是保证高的光效。引擎中光学元件和器件的排列距离则满 足以下三对共轭成像关系LED光源和第二复眼透镜阵列，第一复眼透镜阵列和 LCD屏，第二复眼透镜阵列和投影透镜。为进一步提高光效，引擎中可附加复眼 透镜阵列后的偏光变换器(PCS),或/和LCD屏前的微镜阵列(MLA)。以本光学 引擎作为核心部件，再加上信号处理、控制和电源等电路，反射镜和屏幕等引 擎外光学元件，以及整机外壳和机内结构件，就构成了本专利所指的投影装置。 附國说明
图1是一种同一个封装内的白光功率LED芯片阵列示意图。图2是一种已单独封装的白光功率LED器件阵列示意图。 图3是一种白光功率LED投影光源示意图。 图4是光学引擎的基本构成示意图。
图5是附加了偏光变换器和微镜阵列的光学引擎构成示意图。 具体实施
下面结合
具体实施例-
在附图1中，101为组成阵列的白光功率LED芯片，102是LED封装，103 为安装LED阵列的金属基印制电路板。在附图2中，201为组成阵列的已封装白 光功率LED器件，203是安装LED阵列的金属基印制电路板。在附图3的投影光 源中，301为LED阵列，302是安装LED阵列的金属基印制电路板，303为散热 器，304是LED阵列的驱动电路板，305为安装在LED阵列上的收集器阵列。收 集器与已封装LED对应，收集器阵列与已封装LED的阵列一一对应。驱动电路 板从投影装置的电源获得电功率，以恒流方式驱动LED， LED将电能变换为光能， 它们发出的光束经收集器或收集器阵列集光，进入后级光学元件。散热器吸收 LED产生的热并将其散发到环境中，以便投影光源能稳定和安全运行。
在附图4中，403为投影光源，404是复眼透镜阵列，406是场镜、407为 准直镜、409是成像器件LCD屏，410为投影镜头。LED阵列发出的光束经收集 器或收集器阵列收集和压窄光束角度，进入复眼透镜阵列，被分割为许多小光 束，再经过场镜后，逐个叠加到成像器件上，形成高效和高均匀的照明。准直 镜的作用是使进入成像器件的光束尽量平行，增大透过LCD屏的光能。投影镜 头将LCD屏的光学图像放大并投影到屏幕上供观看。
在附图5中，503为投影光源，504是复眼透镜阵列，505为偏光变换器， 506是场镜、507为准直镜、508是微镜阵列，509是成像器件LCD屏，510为投影镜头。在附图4光学引擎的基本构成中，从工作原理上讲，成像器件LCD屏 只容许一个方向的线偏振光透过，因此损失了一半以上的光能。附图5中的偏 光变换器先将光束分离为不同振动方向的P偏振光和S偏振光，进而将P偏光 变换成S偏光，使得大部分光能可透过LCD屏。微镜阵列的作用则是针对LCD 屏每个像素，改变光束入射角，使之从像素的开口部分透过LCD屏。偏光变换 器和微镜阵列都能大幅度提髙引擎的光效。
权利要求
1.一种LCD投影光学引擎，其光路构成的顺序特征为LED投影光源→复眼透镜阵列→场镜→准直镜→带CF膜的LCD屏→投影镜头。
2. —种LCD投影光学引擎，其光路构成的顺序特征为LED投影光源一复眼透镜 阵列一偏光变换器一场镜一准直镜一微镜阵列一带CF膜的LCD屏一投影镜头， 其中，偏光变换器和微镜阵列或任意采用一种，或同时采用。
3. —种权利要求1和2所述的LED投影光源，采用白光功率LED阵列，它可以 为多个LED芯片，排列在同一个封装内；也可以是多个已经单独封装的LED器 件。多个LED排列成正多边形、矩形、圆形等规则图形阵列。
4. 一种权利要求1和2所述的投影光源，采用收集器或收集器阵列作为LED的 二次光学元件，收集器与已封装LED对应，收集器阵列与已封装LED的阵列一 一对应。
5. —种LCD投影装置，其特征在于它具有权利要求1或2所述的投影光学引擎， 权利要求3和4所述的投影光源。由于投影光学引擎，及其关键光学元件和投 影光源的优势，从而赋予了该投影装置的技术优势、寿命和成本优势。
全文摘要
本发明属于投影光源，投影光学系统和投影显示设备。光学引擎由投影光源，复眼透镜阵列，偏光变换器，场镜、准直镜、微镜阵列，成像器件LCD屏和投影镜头组成。投影光源的发光器件是白光功率LED阵列，集光元件为收集器阵列。它们与引擎中的复眼透镜阵列、偏光变换器、微镜阵列和带CF膜的LCD屏灯合理设计组合，使投影光学引擎获得高光效和高光输出。由于采用LED作为光源灯，投影光学引擎还具有寿命长，响应时间极短，容易驱动，无辐射热量、环保节能和低成本等优点。以此光学引擎作为核心部件，再加上电路和整机结构，即可构成前投影和背投影装置，例如前投影机或背投电视。
文档编号G02B27/18GK101634754SQ20081004564
公开日2010年1月27日 申请日期2008年7月25日 优先权日2008年7月25日
发明者范朝勋, 霍永峰 申请人:成都欧恒光电科技有限公司