专利名称：用于具有单色光源的帧序列彩色投影显示器系统的光引擎，系统和驱动方法
技术领域：
本发明涉及帧序列彩色投影显示器，更精确地涉及使用多组诸如发光二极管(LEDs)的单色光源的显示器。
帧序列彩色投影显示器系统的特点在于具有单独的电-光调制装置，例如液晶显示器(LCD)或者数字微镜装置(DMD)，它通过以很快的帧速顺序处理显示信号的基色子帧，来产生全色彩显示，所以，观测者结合基色子帧成为全色彩图像。
帧序列彩色投影显示器的优点包含比多面板加色的色彩系统更低的消耗，和比单面板空间滤光器色彩系统更高的分辨率。但是，现有系统使用移动部件，例如，利用显示的对应信息进行同步的颜色轮盘，来从宽带光源产生对基色子帧的单色照射。
如果使用了单色光源，色彩照明的同步能够由电子开关而不是机械装置来实现。而且，照明功率效率可以被提高，因为光源在没有彩色帧的时候能够被关闭。
美国专利6,224,216公开了一种使用单色光源的帧序列彩色投影显示器系统。来自发光二极管(LED)阵列的红、绿、蓝色光被多束光纤收集、组合并且导向到单个光集成器，然后送给显示器装置来产生帧序列彩色显示。在替代实施例中，三个分离的光纤束将红、绿、蓝光导向到三个分离的显示器装置。由该三个显示器调制后的光随后由分光合色棱镜(X-Cube)进行合成。
尽管使用单色光源来照射没有移动部件的帧序列彩色投影显示器的一般性概念是众所周知的，但是使用光纤束作为收集、组合和中继光源的装置将导致庞大的配置，其难以处理并且制造代价昂贵。
依照本发明，帧序列彩色投影显示器使用小型光引擎，它具有小型的光输入模块，以便将来自多组单色光源诸如LED的光输入到色彩组合和光集成部件。
每一个光输入模块包含小型的光收集工具，例如与单独的LED芯片相关联的单独的反射器的阵列，并且包含用于将光耦合到色彩组合部件的、单独的光耦合部件。色彩组合部件将光传送到光集成器，光集成器对来自输入模块的组合后的光进行集成。光集成器可以是任何已知类型，例如透镜阵列、双凸透镜阵列或者特殊构造的透镜，其中输入和输出平面分别近似定位在镜头的焦平面。这个构造对输入源诸如阵列特别有效。光集成器还可以是在待决的美国专利申请S.N.10/161,798(代理人摘要号PHUS 020,170)中所描述的类型的均匀化光导向装置，该申请于2002年6月4日提交，并且与本申请归属相同的受让人。
单个的单色光源组的光学排列方式和电子控制方式允许每个光源组在任何时候以所需的任意设定的持续时间来照射成像设置，使得它们能够按时间顺序切换并且与该设备的扫描同步。因此，实现了一种不使用移动部件的高功率效率的帧序列彩色显示器，并且其具有节省空间的易于制造的构造。而且，这样的帧序列彩色投影显示器能够很容易地合并多于三个基色来实现宽的色域。
这里使用的术语“单色”包含真单色光源和具有相当小的FWHM(半最大值全宽度)，优选为15到40nm或者更小的光源。FWHM被定义为在光源发射的中心波长的最大强度值的一半高度处，所发生波长波峰的宽度。并且，术语“单色”包含两个或者更多的具有相同感知色彩但它们的峰值波长稍有区别的光源，例如，发射蓝色的LED具有455nm和470nm的峰值波长。从商业角度来说，满足这些条件的LED很容易得到。
并且，术语“单色”包含与一个或多个发光荧光体组合的LED光源，目的是增强或移动该LED光源的光输出。典型的，以LED的光输出激发在LED外侧的涂层形式的荧光层，以便发射相似的或不同波长范围内的光。
依照本发明的一个方面，提供一个用于帧序列彩色投影显示器系统的光引擎，其包含至少两个光输入模块(该模块具有不同色彩的单色光源)，用于将不同色彩组合到一个光束的色彩组合器、用于集成来自色彩组合器的光束的光集成器。除了具有一组单色光源，每个模块还拥有光收集装置来从该组光源收集光，和光耦合部件用于将收集的光耦合到色彩组合器中。优选的，所述单色光源为LED芯片组，而光收集装置为反射器阵列，每一个反射器与一个LED芯片相关联，或者与一组多于一个的紧密封装的LED芯片相关联。
依照本发明的一个优选实施例，光引擎包含三个光输入模块，每一个用于一个基色红、绿、蓝，并且色彩组合器是包含两个内部交叉的二向色滤光片的分光合色棱镜。二向色滤光片被设置来将源色彩的光传送到均匀化光导向装置。
光收集装置优选为一个或者多个反射部件，但可以选择为折射的，例如一个或者多个透镜部件。
光耦合单元优选为在2002年6月4日提交的，并且与本申请归属于同一个受让人的待决的美国专利申请S.N.10/161,798(代理人摘要号PHUS 020,170)中所描述类型的光导向装置。依照本发明的另外一个优选实施例，光引擎拥有多于三个，例如5个，光输入模块，以便扩宽显示器的色域。在这个实施例中，光输入模块被定位在包含被延长的光导向部件的色彩组合器的侧面和末端面上。色彩组合器具有一系列沿着其长度分布的内部二向色滤光片，其用于接收来自光发生模块的光，并且指导光沿着色彩组合器的长度到达均匀化光导向装置。
依照本发明的另外一个方面，提供一种包含在这里描述的本发明的光引擎的帧序列彩色投影显示器系统；用于调制来自光引擎的光的成像设备；用来将来自光引擎的光中继到成像设备的中继光学部件；投影光学组件，用于将调制之后的光投影到显示器屏幕；驱动电子器件，用来驱动光引擎；和控制电子器件，用于输入显示信号和提供图像扫描信号给成像设备，并且用于提供给驱动电子装置的同步信号。
优选地，成像设备是非发射微成像设备，例如硅基反射液晶(LCOS)或者数字光处理器(DLP)。这种投影显示器系统在商业和客户应用中十分有用，用来将数字和模拟显示信号转换为全色彩图形和静止图像显示以及全移动视频和电影。
依照本发明的另外一个方面，依照本发明的帧序列彩色投影显示器系统使用一种驱动方法，在其中LED芯片组由脉冲电流驱动，脉冲电流包含至少5倍于额定最大DC驱动电流的峰值。
在附图中
图1是描绘使用单色光源的现有技术的帧序列彩色投影显示器系统的示意图。
图2是示出了本发明的一种三色光引擎实施例的示意图，其适合用在图1所示类型的帧序列彩色投影显示器系统中；图3是示出了本发明的一种五色光引擎实施例的示意图，其适合用在图1所示类型的帧序列彩色投影显示器系统中；并且图4A到图4D是使用在图3所示的光引擎中的二向色滤光片的反射率(R)针对波长(λ)的曲线图。
图1是示出了一种基于现有技术的帧序列彩色投影显示器系统10的图，它使用光引擎11来产生不同色彩的光以生成彩色显示。光引擎11包含由不同色彩的多组单色光源1，2，3，...，i组成的光源12，和光收集和色彩组合光学部件13。每一组单色光源可以包含多于一个相同色彩的发光单元，并且由驱动电子装置17驱动，驱动电子装置17将在与来自控制电子装置18的帧同步信号21进行同步的给定时间开启一组或多组光源达定义的持续时间。
来自光收集和色彩组合光学部件13的光被通过中继光学部件14传送到成像设备15。成像设备15通过来自控制电子装置18的图像扫描信号20对传输来的光进行调制。控制电子装置18从输入视频信号19提取图像扫描信号20和帧同步信号21。由成像设备15调制的光被投影光学部件16投影到显示屏幕上(没有显示)。
图2示出了本发明的三色光引擎22的一个实施例，其适合使用在帧序列彩色投影显示器系统中，例如图1中所示系统10中。光引擎22包含三个光输入模块23，24，25，每一个用于三基色红、蓝、绿之一，色彩组合部件35和均匀化光导向装置38。每一个光输入模块包含LED芯片形式的一组单色光源(26，27，28)，单个反射器的阵列形式(29，30，31)的光收集光学部件，和光耦合组件(32，33，34)。
阵列(29，30，31)的大小由系统参数所决定，例如成像设备15的纬度，投影光学部件16的孔径等。
每一个反射器与一个LED芯片相关联。这个布局的优点是减小热耗散。随着改进散热的LED芯片的开发，将允许LED芯片被封装的更加紧密，或甚至一个大的LED芯片与光学系统的展度(etendue)相匹配，从而允许更少数目的甚至单个的光收集装置，优点是装配复杂度降低。
光耦合组件(32，33，34)将收集到的光耦合到分光合色棱镜形式的色彩组合装置35，这是一个商业上可以买到的产品，它使用交叉的二向色滤光片使得所选色彩的光从它的输入面传播到定义的输出面，而不影响从其他输入面到输出面的不同颜色光的传播。
在图2中，分光合色棱镜35有输入面35a，35b，35c和输出面35d，并且有两个分别具有透射表面36a，37a和反射表面36b，37b的内部二向色滤光片36和37。在使用中，来自色彩输入模块23的红光(由箭头R指示)照射二向色滤光片36的反射面36b，被反射到箭头G的方向，而来自色彩输入模块24的绿光(由箭头G指示)照射到二向色滤光片36和37的透射面36a、37a，被按照箭头G的方向传输，来自色色彩输入模块25的蓝光(由箭头B指示)被二向色滤光片37的反射面37b反射到箭头G所示方向。红，绿，蓝光以具有分光合色棱镜横截面的光束形式，在箭头G的方向传播通过分光合色棱镜35的输出面35d，并且进入到均匀化光导向装置38的输入面38a，其对整个光束横截面的光强度进行平均并且不改变光束的横截面和角度大小。均匀化之后的输出光束经由输出面38b离开光引擎22。
R，G和B彩色LED的中心波长例如为625+/-15nm(红)，530+/-15nm(绿)，455+/-15nm(蓝)。依照在分光合色棱镜周围彩色LED模块的布局，可以使用不同的滤光器组合。对于在图2中所示的布局，滤光器36反射红光，通过绿光和蓝光，截断波长约在590+/-15nm，滤光器37反射蓝光，通过绿光和红光，截断波长约在500+/-15nm。
在图2中，光收集光学部件被描述为反射光学部件。但是，它也可以是折射光学部件，例如透镜或菲涅耳透镜，或者反射和折射光学部件的组合。
由于分光合色棱镜只有三个入口，它不能够组合多于三个不同颜色的光。依照本发明的另外一个实施例，级联的二向色滤光片可以被用于光引擎中来组合多于三种色彩的光。这样的布局将能够再现较使用传统红绿蓝基色可以再现的更宽的色域。这个目标由色彩在可见光谱范围内的窄带单色光源，例如LED，的可用性而容易地得到支持。
如图3所示，这样的光引擎40的实施例包含5个光输入模块(41，42，43，44，45)，每一个拥有一组单色光源(46，47，48，49，50)，反射器(51，52，53，54，55)的阵列，和光耦合部件(56，57，58，59，60)。输入模块41设置在色彩组合部件61的入口面61a，其余的沿着色彩组合部件61的反向输入面61b，61c分布。
色彩组合部件61包含4个内部二向色滤光片62，63，64，65，每一个拥有第一透射面(62a，63a，64a，65a)，和第二反射面(62b，63b，64b，65b)。每一个滤光器被定位为它的反射面面对光输入模块41，42，43，44，45中的一个，并且被设置为一个角度，以便反射来自所面对的模块的光沿着传播方向P到均匀化光导向装置66。所述滤光器被设计具有反射和透射特性，使得第一二向色滤光片62投射来自模块41的光，也反射来自第二模块42的光；第二二向色滤光片63反射来自第三模块43的光，也投射来自第一和第二模块41，42的光；依此类推。这样，每一个二向色滤光片对于邻近色彩输入模块是反射的，但对于所有先前的色彩是透射的。
来自色彩组合器61的输出光束通过输出面61b经由输入面66a进入到均匀化光导向装置66，在这里其在经由输出面66b离开光引擎40之前被均匀化。
二向色滤光片可以是任意已知类型，例如介质薄膜堆叠或者全息滤光器。滤光器可以是陷波(频带)滤光器，它投射和/或反射限定带宽的波长。或者，也可以使用边缘滤光器，它投射和/或反射特定波长和其以上的光，如果单色光源组按照它们的中心波长顺序排列的话。在这个情况下，优选地，第一输入模块41拥有最长波长的光输出，并且其余模块42，43，44，45拥有递减波长的输出。在这样的布局，二色光带滤光器62，63，64，65的反射带，被表示为反射率相对波长，以图形的形式分别显示在图4A，4B，4C，4D中。或者，可以使用拥有相同的递减波长的边缘滤光器作为频带滤光器。
这样的五色系统的典型色彩和中心波长为；蓝(455+/-15nm)，青(495+/-15nm)，绿(530+/-15nm)，黄(590+/-15nm)和红(625+/-15nm)。每一个色彩拥有大约20nm的带宽(FWHM)。可以使滤光器与这些中心波长和带宽值匹配。截断滤光器的典型的截断波长为两个相邻波长的中间。例如，反射青色(495nm)并且透射蓝色(455nm)的滤光器具有在475+/-5nm附近的截断波长。
在帧序列彩色显示器中，一个特定颜色只是在图像帧的一部分内被显示(一般来说，小于图像帧时间的1/n，其中n是基色的数目)，有可能以比额定最大DC驱动电流高很多的电流脉冲驱动LED。这是个优点，因为它导致相当高的瞬时光输出。例如，我们论证过Luxeon绿色LED可以被7倍于额定最大DC电流的电流在1/5占空因数下驱动，以便发出4倍于在额定最大DC电流下得到的瞬时光输出的输出。
由于芯片的发热主要由驱动功率的RMS值决定，所以允许以相当高的电流(5-7倍最大DC)在短时间内来驱动LED，以得到更高的瞬时输出，而不损坏LED或者减少它的寿命。因此，优选是由高脉冲电流驱动所有的LED。
另外一个增加亮度的方法是采用多个颜色稍微不同的LED源。如在由Pashley和Marshall(已转让给本受让人)在已公布专利申请WO01/43113中公开的，不同色彩可以组合成为一个单独的光束，该光束具有增加的流明输出并且没有或很少增加展度(etendue)。例如商业上可以得到的具有峰值波长455nm和470nm的蓝色LED可以组合以获得蓝色通道的效果，具有峰值波长525nm和560nm的绿色LED可以组合以获得绿色通道的效果，并且具有峰值波长617nm和625nm的红色LED可以组合以获得红色通道的效果。
另一个方面，商业用的LED产品具有标称色彩的峰值波长的特定分布，这个分布典型的按照30nm的次序。LED生产商可以将它们基于峰值波长分布划分到不同的接收器中。如果需要的话，可以基于所需波长差别定制LED，并且使用它们形成更亮的光束。
使用多个峰值波长稍有不同的LED光源的技术可以被用于所有的色彩，以得到整体或者一些色彩亮度的增加，例如获得色彩的平衡。例如，如果绿色LED亮度有限，两个具有不同光谱的绿色LED可以由光学滤光器组合来产生更高流明输出的有效的绿色光源(并且因而达到整体的白光平衡流明)；也就是，使用光谱在波长上不同的标称系统绿色基色和一个全息滤光器或者二向色滤光片来光学组合光束。可选择地，可以降低红色和蓝色LED的全部流明输出来获得正确的白点。
由于色彩LED的输出强度可能与所需色温的要求不匹配，有时需要驱动一个色彩组比其它色彩组更长的时间。因此，特殊色彩组可以被显示比图像帧时间的1/n更长的时间。
可以调整驱动脉冲来获得机械系统(例如彩色轮盘系统)中很难得到的多种效果。例如，显示器的色温可以通过改变对一个或更多色彩的驱动电流的脉冲宽度或者脉冲高度而被容易地调节。例如，为了得到更高的色温，红色LED组的驱动电流的脉冲宽度可以被缩短；为了得到较低的色温，蓝色LED组的驱动电流的脉冲宽度可以被缩短。
本发明以有限的实施例进行了必要地描述。但是，其他实施例和实施例的变种对本领域中的技术人员来说将是显而易见的，并且意图将这些包含在后附的权利要求的范围内。
权利要求
1.用于帧序列彩色投影显示器系统的光引擎(40)包含至少两个光输入模块(41，42)，每个模块包含单色光源组(46，47)；用于收集来自光源组(41，42)的光的光收集装置(51，52)的阵列；和光耦合部件(56，57)；色彩组合器(61)，包含输入面61a、61b、61c和输出面61d，并且包含至少一个具有透射面(62a)和反射面(62b)的二向色滤光片(62)；和光集成部件(66)，用于集成来自色彩组合器(61)的光，光集成部件(66)拥有输入面66a与色彩组合器(61)的输出面61d相耦合，和用于输出集成后光的输出面66b。
2.如权利要求1中所述的光引擎(22)，其中；拥有三个光输入模块(23，24，25)，和色彩组合器，包含具有两个相交的二向色滤光片(36，37)的分光合色棱镜(35)。
3.如权利要求1中所述的光引擎(40)，其中的光收集装置(51，52)包含反射器。
4.如权利要求1中所述的光引擎(40)，其中至少一组单色光源(46)包含LED芯片阵列(46a，46b，46c)，至少一个光收集装置(51)包含与LED芯片组(46a，46b，46c)相关联的反射器(51a，51b，51c)阵列。
5.如权利要求1中所述的光引擎(40)，其中具有第一，第二，第三，第四和第五光输入模块(41，42，43，44，45)；色彩组合器(61)包括第一，第二，第三，第四二向色滤光片(62，63，64，65)，每一个滤光器具有透射面(62a，63a，64a，65a)和反射面(62b，63b，64b，65b)，第一输入模块(41)定位在色彩组合器(61)的第一输入面(61a)上，第二和第四输入模块(42，44)定位在色彩组合器(61)的第二输入面(61b)上，第三和第五输入模块(43，45)定位在色彩组合器的第三输入面(61c)上；并且所述二向色滤光片被设置为与第二和第三输入面(61b，61c)成一定角度并且具有面向输入模块的反射面，面向第二输入模块(42)的第一二向色滤光片(62)的反射面(62b)，面向第三输入模块(43)的第二二向色滤光片的反射面(63b)，面向第四输入模块(44)的第三二向色滤光片的反射面(64b)，面向第五输入模块(45)的第四二向色滤光片的反射面(65b)。
6.如权利要求5中所述的光引擎(40)，其中第一，第二，第三，第四和第五单色光源组(46，47，48，49，50)发出的光的中心波长分别为；蓝(455+/-15nm)，青(495+/-15nm)，绿(530+/-15nm)，黄(590+/-15nm)和红(625+/-15nm)，每一组具有约为15到40nm的发射带宽(FWHM)。
7.如权利要求1中所述的光引擎，其中至少一组单色光源包含具有不同峰值波长的LED。
8.如权利要求1中所述的光引擎，其中光集成部件是均匀化光导向装置(66)。
9.如权利要求4中所述的光引擎，其中LED芯片与包含至少一个发光荧光体的层组合。
10.一种帧序列彩色投影显示器系统(10)，包含用于提供至少两种不同颜色的单色光的光引擎(11)；用于调制来自光引擎的光的成像设备(15)；用于将来自光引擎(11)的光中继到成像设备(15)的中继光学部件(14)；投影光学部件(16)，用于将调制过的光投影到显示屏；驱动电子装置(17)，用于驱动光引擎；和控制电子装置(18)，用于输入显示信号(19)并且将图像扫描信号(20)提供给成像设备(15)和将同步信号(21)提供给驱动电子装置(17)；特点在于光引擎包含至少两个光输入模块(41，42)，每个模块包含单色光源组(46，47)；用于收集来自光源组(41，42)的光的光收集装置(51，52)的阵列；和光耦合部件(56，57)；色彩组合器(61)，包含输入面61a、61b、61c和输出面61d，并且包含至少一个具有透射面(62a)和反射面(62b)的二向色滤光片(62)；和光集成部件(66)，用于集成来自色彩组合器(61)的光，光集成部件(66)拥有输入面66a与色彩组合器(61)的输出面61d相耦合，和用于输出集成后的光的输出面66b。
11.如权利要求10中所述的帧序列彩色投影显示器系统(10)，其中具有三个光输入模块(23，24，25)，和色彩组合器包含具有两个交叉的二向色滤光片(36，37)的分光合色棱镜。
12.如权利要求10中所述的帧序列彩色投影显示器系统(10)，其中光收集装置(51，52)包含反射器。
13.如权利要求10中所述的帧序列彩色投影显示器系统(10)，其中至少一个单色光源组(46)包含LED芯片阵列(46a，46b，46c)，至少一个光收集装置(51)包含与LED芯片集合(46a，46b，46c)相关联的反射器阵列(51a，51b，51c)。
14.如权利要求10中所述的帧序列彩色投影显示器系统(10)，其中具有第一，第二，第三，第四和第五光输入模块(41，42，43，44，45)；色彩组合器(61)包括第一，第二，第三，第四二向色滤光片(62，63，64，65)，每一个滤光器具有透射面(62a，63a，64a，65a)和反射面(62b，63b，64b，65b)，第一输入模块(41)定位在色彩组合器(61)的第一输入面(61a)上，第二和第四输入模块(42，44)定位在色彩组合器(61)的第二输入面(61b)上，第三和第五输入模块(43，45)定位在色彩组合器的第三输入面(61c)上；并且二向色滤光片被设置为与第二和第三输入面(61b，61c)成一定角度并且具有面向输入模块的反射面，面向第二输入模块(42)的第一二向色滤光片(62)的反射面(62b)，面向第三输入模块(43)的第二二向色滤光片的反射面(63b)，面向第四输入模块(44)的第三二向色滤光片的反射面(64b)，面向第四输入模块(44)的第三二向色滤光片的反射面(64b)，面向第五输入模块(45)的第四二向色滤光片(65)的反射面(65b)。
15.如权利要求14中所述的帧序列彩色投影显示器系统(10)，其中，第一，第二，第三，第四和第五单色光源组(46，47，48，49，50)发出的光的中心波长分别为；蓝(455+/-15nm)，青(495+/-15nm)，绿(530+/-15nm)，黄(590+/-15nm)和红(625+/-15nm)，每一组具有约为15到40nm的发射带宽(FWHM)。
16.如权利要求10中所述的帧序列彩色投影显示器系统(10)，其中至少有一组单色光源包含具有不同峰值波长的LED。
17.如权利要求10中所述的帧序列彩色投影显示器系统(10)，其中光集成部件是均匀化光导向装置(66)。
18.如权利要求13所述的光引擎，其中LED芯片与包含至少一个发光荧光体的层组合。
19.一种驱动集成LED组作为单色光源的帧序列彩色投影显示器系统的方法，此方法包括以至少5倍于额定最大DC驱动电流的电流驱动LED组。
20.如权利要求19中所述的方法，驱动由脉冲驱动来实现。
21.如权利要求20中所述的方法，其中脉冲驱动使用平均占空因数的1/5来实现。
22.一种驱动集成两个或多个LED组作为单色光源的帧序列彩色投影显示器系统的方法，此方法包含使用具有不同宽度和/或不同高度的电流脉冲来驱动LED集合。
全文摘要
一种用于帧序列彩色投影显示器系统的小型光引擎(22)使用了诸如LED的单色光源组(26，27，28)。所述LED组被合并到小体积的光输入模块(23，24，25)中，这些模块包含作为光收集器的反射器阵列(29，30，31)，每个LED一个反射器，和将收集到的光耦合到色彩组合器(35)的光耦合部件(32，33，34)。色彩组合器使用二向色滤光片(36，37)将不同色彩的光组合成为一束光。光束的强度由均匀化光导向装置(38)进行均匀化。通过由额定最大DC驱动电流的5或更高倍的电流以1/5占空因数来脉冲驱动LED，增强了输出光而不牺牲寿命。
文档编号H04N9/31GK1947429SQ200580007848
公开日2007年4月11日 申请日期2005年3月9日 优先权日2004年3月11日
发明者邹邗, D·J·安德逊 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司