CN201654426U - 一种led光源的lcd投影光学照明引擎 - Google Patents

一种led光源的lcd投影光学照明引擎 Download PDF

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一种LED光源的LCD投影光学照明引擎，由LED光源，带彩色滤色膜的成像器件LCD屏以及将LED出射的光线引导到成像器件LCD屏的光锥器件组成。本新型采用LED光源，具有高效经济且结构紧凑的特点。以本投影光学照明引擎作为核心部件，再加上投影镜头以及电路和整机结构，即可构成前投影和背投影装置，如前投影机或背投电视。

Description

一种LED光源的LCD投影光学照明引擎 
技术领域
本实用新型属于投影光学照明引擎。专利特别涉及一种采用功率LED为投影光源，以及一个将LED出射的光束引导到成像器件LCD屏的光锥器件为主构成投影光学照明引擎。 
背景技术
称为数据(Data)投影机的前投影装置，采用UHP(超高压汞灯)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800多万台。此外，还有一类称为视频(Video)投影机的投影装置，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α-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，全球市场年需求量也以百万台计。 
目前，两类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，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对角线尺寸一般大于1.5英寸，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，但其流行的其他放电灯加反射碗加透镜的投影照明***，或者是采用多芯片封装的LED光源加聚光镜的投影照明***，使得引擎效率低到难以超过4％；或者是采用多颗LED光源加光 源收集器加复眼透镜而制作的LED光源视频投影机，效率可以提升至4％但体积庞大。 
本专利已经全面注意到上述情况，因此创造性地提出一种新颖的高效且结构紧凑的投影光学照明引擎，并已达到产品完全实用效果。 
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种高效经济、结构紧凑的LED光源的LCD投影光学照明引擎。 
本新型的目的是这样实现的：一种LED光源的LCD投影光学照明引擎，包括：一个LED光源，一个带彩色滤色膜的LCD屏以及一个将LED光源出射的光线引导到成像器件LCD屏的光锥器件，其顺序为LED光源→光锥器件→成像器件LCD屏；LED光源或者为多个LED芯片排列在同一个封装内的白光LED，或者是大面积单芯片单独封装的白光LED。 
在本专利的技术方案中，投影光源、投影光学照明引擎的设计均具有显著的特点。 
采用功率白光LED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。将数只到数百只功率LED芯片统一封装在一个封装内或将一个大面积芯片单独封装，以便获得所需的高光输出，以此保证较高的照明***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。 
投影光学照明引擎以光锥器件作为核心，进行合理面型设计，它可以将LED发射的大角度光线以很小的角度引导到LCD屏的方向，并可合理的分布到屏上，可以极大的提高光束的几何形状利用率和均匀性；可以在光锥的出射端增加透镜，对入射到LCD屏上光束角度进一步压窄，进一步合理分布入射到LCD屏上光束。投影光学照明引擎采用光锥器件，以及光锥器件出射端增加透镜后，可以实现高达90％的照明效率、90％的亮度均匀性和6％的引擎效率。同时在LCD屏前增加微透镜列阵，进一步提高引擎效率，这样可以将引擎效率提升到8％以上。 
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。 
与采用UHP投影光源的数据投影机相比，使用本投影光学照明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、高均匀性、结构紧凑和节能环保。本投影光学照明引擎也可用于其它类别投影装置，如背投电视。 
本专利是这样实现的： 
投影光源采用白光功率LED，该LED可以采用多芯片封装在同一封装内也可以采用单一大型片单独封装。从投影光源开始，沿光束传播方向，依次设置光锥器件、成像器件LCD屏，从而构成本专利所指的基本光学照明引擎。为进一步提高上屏的光束质量可以在光锥器件的出射端设置准直透镜，同时也可以在LCD屏前的增加微镜阵列进一步提高投影光学照明引擎的效率。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，投影镜头、反射镜等引擎外光学元件，以及整机外壳、机内结构件和散热器件，就构成了本专利所指的投影装置。 
附图说明
图1是一种同一个封装内的多芯片白光功率LED示意图。 
图2是投影光学照明引擎的基本构成示意图。 
图3是附加了准直透镜的投影光学照明引擎构成示意图。 
图4是附加了准直透镜和微镜阵列的光学照明引擎构成示意图。 
具体实施方式
下面结合附图说明具体实施实例： 
在图1中，101为组成阵列的白光功率LED芯片，102是LED封装。 
在图2中，描述了本发明的投影光学照明引擎组件的基本构成示意图，所述组件包括已封装白光功率LED器件，光锥器件202，带CF膜的LCD屏203。LED201发出的光束经光锥器件202反射、匀化、整形入射到带CF膜的LCD屏203上。 
图3给出了图1所示的投影光学照明引擎另一种可选实施实例，准直透镜303设置在光锥器件302的出射端与带CF膜的LCD屏304之间。LED301发出的光束经光锥器件302反射、匀化、整形入射到准直透镜303，光束再一次被准直透镜303准直后入射到带CF膜的LCD屏304上。 
图4是图2所示的投影光学照明引擎另一种可选实施实例，微透镜列阵设置 在准直透镜403与带CF膜的LCD屏405之间，紧贴LCD屏。LED401发出的光束经光锥器件402反射、匀化、整形后入射到准直透镜403准直，光束再经微透镜列阵404的子单元汇聚，入射到带CF膜的LCD屏405对应的有效像素上，从而进一步提高光线透过屏的能力。当然若LED401发出的光束经光锥器件402准直的光束质量已经很好，可以不增加准直透镜403，在图2中描述的投影光学照明引擎组件的基本构成基础上直接在LCD屏前增加微透镜列阵404。 
LED光源为多个LED芯片排列在同一个封装内的白光LED，或者是大面积单芯片单独封装的白光LED。 
LED发出的大角度光线经过反射或者是全反射的方式引导到LCD屏上。光锥器件其整体形状是中空形状，若其内表面对光线进行反射，则内表面覆有高反射率的膜；若其外表面对光线进行反射，则进行合理的光学设计，可以让光线在外表面实现全反射或者在外表面覆有高反射率的膜。 
光锥器件其各个方向的反射表面是根据LED芯片形状、发光特性，LCD屏的形状，光线在LCD屏上的分布以及光束射向屏的角度决定，各个方向的反射面可以是平面也可以是球面也可以是非球面也可以是自由曲面甚至可以是平面、球面、非球面、自由曲面几种面形拼接而成。 
透镜可以玻璃材料，也可以是光学有机材料如PMMA、PC等，甚至是玻塑混合；该透镜可以是常规的透镜，也可以是菲涅尔透镜(螺纹透镜)。 
投影光学照明引擎中，进一步包括：在LCD屏前增加与LCD屏像素相对应的微透镜列阵，进一步提高光线通过屏的效率，进而提高投影光学照明引擎效率。 
本投影光学照明引擎作为核心部件，再加上投影镜头以及电路和整机结构，即可构成前投影和背投影装置，例如前投影机或背投电视。 

Claims (6)

1.一种LED光源的LCD投影光学照明引擎，其特征是：包括：一个LED光源，一个带彩色滤色膜的LCD屏以及一个将LED光源出射的光线引导到成像器件LCD屏的光锥器件，其顺序为LED光源→光锥器件→成像器件LCD屏；上述LED光源或者为多个LED芯片排列在同一个封装内的白光LED，或者是大面积单芯片单独封装的白光LED。
2.根据权利要求1所述LCD投影光学照明引擎，其特征是：进一步包括：来自光锥器件出射端光束在进入LCD屏之前的准直透镜。
3.根据权利要求1或2所述LCD投影光学照明引擎，其特征是：所述光锥器件的整体形状是中空形状，或者在内表面覆有高反射率的膜，或者在外表面覆有高反射率的膜。
4.根据权利要求3所述LCD投影光学照明引擎，其特征是：所述光锥器件的各个方向的反射面或者是平面或者是球面或者是非球面或者是自由曲面，或者是由平面、球面、非球面、自由曲面几种面形拼接而成。
5.根据权利要求2所述LCD投影光学照明引擎，其特征是：所述准直透镜或者是常规的透镜，或者是菲涅尔透镜。
6.根据权利要求1或2所述LCD投影光学照明引擎，其特征是：进一步包括：在LCD屏前增加与LCD屏像素相对应的微透镜列阵。 
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