專利名稱：一種led光源的lcd投影光學(xué)照明引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利屬于投影光學(xué)照明引擎。專利特別涉及一種采用功率LED為投影光源，以 及一個(gè)將LED出射的光束引導(dǎo)到成像器件LCD屏的光錐器件為主構(gòu)成投影光學(xué)照明引擎。
背景技術(shù)：
稱為數(shù)據(jù)(Data)投影機(jī)的前投影裝置，采用UHP (超高壓汞燈)投影光源，二向色 鏡或色輪彩色方式，以高分辨率、微小尺寸微顯示(MD)作為成像器件。類似的光學(xué)引擎架 構(gòu)也用于MD背投電視。全球MD前投影機(jī)和MD背投電視年產(chǎn)銷達(dá)800多萬臺(tái)。此外，還 有一類稱為視頻(Video)投影機(jī)的投影裝置，它采用金鹵燈投影光源，以中低分辨率，小尺 寸，帶CF(彩色濾色)膜的α-Si-IXD(非晶硅液晶顯示)或LTPS-IXD(低溫多晶硅液晶顯 示)作為成像器件。視頻投影機(jī)用于娛樂場所和家庭影院，也可用做游戲和玩具，全球市場 年需求量也以百萬臺(tái)計(jì)。目前，兩類投影機(jī)均采用氣體放電燈投影光源，存在光源壽命短，輻射熱量大和耗 能等性能缺陷，此外，其制造過程的汞污染也受到環(huán)保法規(guī)的限制。近幾年，出現(xiàn)了采用RGB(紅綠藍(lán))光LED為光源，MD為成像器件的前投影機(jī)，它 們改進(jìn)了氣體放電燈投影光源的壽命、輻射熱、節(jié)能環(huán)保限制的缺陷。但根據(jù)投影光束擴(kuò)展 原理，能夠利用的光源光束擴(kuò)展量必須不大于顯示器件光束擴(kuò)展量，MD微顯示器件的尺寸 很小，LED光源的發(fā)光面積也必須很小，致使光源和投影引擎的光輸出低。也有稱為投影光 源專用的LED，采用特殊工藝壓窄光束的出射角以便減小光源光束擴(kuò)展量，從而提高了光源 和引擎的光輸出，但供應(yīng)商極少，價(jià)格很高。視頻投影機(jī)所采用的LCD對角線尺寸一般大于1. 5英寸，面積可能達(dá)到MD的數(shù)十 倍，顯示器件光束擴(kuò)展量對光源的約束相對很小，但其流行的其他放電燈加反射碗加透鏡 的投影照明系統(tǒng)，或者是采用多芯片封裝的LED光源加聚光鏡的投影照明系統(tǒng)，使得引擎 效率低到難以超過4%;或者是采用多顆LED光源加光源收集器加復(fù)眼透鏡而制作的LED光 源視頻投影機(jī)，效率可以提升至4%但體積龐大。本專利已經(jīng)全面注意到上述情況，因此創(chuàng)造性地提出一種新穎的高效且結(jié)構(gòu)緊湊 的投影光學(xué)照明引擎，并已達(dá)到產(chǎn)品完全實(shí)用效果。專利內(nèi)容在本專利的技術(shù)方案中，投影光源、投影光學(xué)照明引擎的設(shè)計(jì)均具有顯著的特點(diǎn)。采用功率白光LED構(gòu)成投影光源。與氣體放電燈投影光源相比，LED投影光源的壽 命長，無汞污染，響應(yīng)時(shí)間極短，容易驅(qū)動(dòng)，無輻射熱量，光源光效高。將數(shù)只到數(shù)百只功率 LED芯片統(tǒng)一封裝在一個(gè)封裝內(nèi)或?qū)⒁粋€(gè)大面積芯片單獨(dú)封裝，以便獲得所需的高光輸出， 以此保證較高的照明系統(tǒng)光輸出和投影引擎光輸出。采用普通照明所用的功率白光LED，以 便實(shí)現(xiàn)充足的供應(yīng)和低成本。投影光學(xué)照明引擎以光錐器件作為核心，進(jìn)行合理面型設(shè)計(jì)，它可以將LED發(fā)射 的大角度光線以很小的角度引導(dǎo)到LCD屏的方向，并可合理的分布到屏上，可以極大的提高光束的幾何形狀利用率和均勻性；可以在光錐的出射端增加透鏡，對入射到LCD屏上光 束角度進(jìn)一步壓窄，進(jìn)一步合理分布入射到LCD屏上光束。投影光學(xué)照明引擎采用光錐器 件，以及光錐器件出射端增加透鏡后，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%的照明效率、90%的亮度均勻性和 6%的引擎效率。同時(shí)在LCD屏前增加微透鏡列陣，進(jìn)一步提高引擎效率，這樣可以將引擎 效率提升到8%以上。光學(xué)引擎的成像器件采用帶CF (彩色濾色)膜的單片LCD，對角線尺寸范圍約1 7英寸，它被大量采用在手持式和便攜式數(shù)碼產(chǎn)品中，分辨率和彩色等指標(biāo)較好，充足供應(yīng) 和成本很低更是勝于MD的突出優(yōu)點(diǎn)。CF膜彩色方式有利于光學(xué)引擎降低成本。與采用UHP投影光源的數(shù)據(jù)投影機(jī)相比，使用本投影光學(xué)照明引擎的投影機(jī)的突 出優(yōu)點(diǎn)是光源壽命長、成本低、節(jié)能環(huán)保；而與采用金鹵燈的視頻投影機(jī)相比，它的突出優(yōu) 點(diǎn)是長光源壽命、高光效、高亮度、高均勻性、結(jié)構(gòu)緊湊和節(jié)能環(huán)保。本投影光學(xué)照明引擎也 可用于其它類別投影裝置，如背投電視。本專利是這樣實(shí)現(xiàn)的投影光源采用白光功率LED，該LED可以采用多芯片封裝在同一封裝內(nèi)也可以采 用單一大型片單獨(dú)封裝。從投影光源開始，沿光束傳播方向，依次設(shè)置光錐器件、成像器件 LCD屏，從而構(gòu)成本專利所指的基本光學(xué)照明引擎。為進(jìn)一步提高上屏的光束質(zhì)量可以在光 錐器件的出射端設(shè)置準(zhǔn)直透鏡，同時(shí)也可以在LCD屏前的增加微鏡陣列進(jìn)一步提高投影光 學(xué)照明引擎的效率。以本光學(xué)引擎作為核心部件，再加上信號處理、控制和電源等電路，投 影鏡頭、反射鏡等引擎外光學(xué)元件，以及整機(jī)外殼、機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)件和散熱器件，就構(gòu)成了本專 利所指的投影裝置。


圖1是一種同一個(gè)封裝內(nèi)的多芯片白光功率LED示意圖。圖2是投影光學(xué)照明引擎的基本構(gòu)成示意圖。圖3是附加了準(zhǔn)直透鏡的投影光學(xué)照明引擎構(gòu)成示意圖。圖4是附加了準(zhǔn)直透鏡和微鏡陣列的光學(xué)照明引擎構(gòu)成示意圖。具體實(shí)施下面結(jié)合

具體實(shí)施實(shí)例在圖1中，101為組成陣列的白光功率LED芯片，102是LED封裝。在圖2中，描述了本發(fā)明的投影光學(xué)照明引擎組件的基本構(gòu)成示意圖，所述組件 包括已封裝白光功率LED器件，光錐器件202，帶CF膜的IXD屏203。LED201發(fā)出的光束經(jīng) 光錐器件202反射、勻化、整形入射到帶CF膜的IXD屏203上。圖3給出了圖1所示的投影光學(xué)照明引擎另一種可選實(shí)施實(shí)例，準(zhǔn)直透鏡303設(shè) 置在光錐器件302的出射端與帶CF膜的IXD屏304之間。LED301發(fā)出的光束經(jīng)光錐器件 302反射、勻化、整形入射到準(zhǔn)直透鏡303，光束再一次被準(zhǔn)直透鏡303準(zhǔn)直后入射到帶CF 膜的LCD屏304上。圖4是圖2所示的投影光學(xué)照明引擎另一種可選實(shí)施實(shí)例，微透鏡列陣設(shè)置在準(zhǔn) 直透鏡403與帶CF膜的IXD屏405之間，緊貼IXD屏。LED401發(fā)出的光束經(jīng)光錐器件402 反射、勻化、整形后入射到準(zhǔn)直透鏡403準(zhǔn)直，光束再經(jīng)微透鏡列陣404的子單元匯聚，入射到帶CF膜的IXD屏405對應(yīng)的有效像素上，從而進(jìn)一步提高光線透過屏的能力。當(dāng)然若 LED401發(fā)出的光束經(jīng)光錐器件402準(zhǔn)直的光束質(zhì)量已經(jīng)很好，可以不增加準(zhǔn)直透鏡403，在 圖2中描述的投影光學(xué)照明引擎組件的基本構(gòu)成基礎(chǔ)上直接在LCD屏前增加微透鏡列陣 404。
權(quán)利要求
1.一種IXD投影光學(xué)照明引擎，至少包括一個(gè)功率發(fā)光二極管(LED)，一個(gè)帶CF(彩 色濾色)膜的LCD屏(液晶屏)以及一個(gè)將LED出射的光線引導(dǎo)到成像器件LCD屏的光錐 器件，其順序?yàn)榘l(fā)光二極管(LED)—光錐器件一成像器件LCD屏。
2.如權(quán)利要求1所述的投影光學(xué)照明引擎，進(jìn)一步包括來自光錐器件出射端光束在 進(jìn)入IXD屏之前進(jìn)一步準(zhǔn)直或處理的透鏡。
3.如權(quán)利要求1中所述的發(fā)光二極管(LED)，它可以為多個(gè)LED芯片排列在同一個(gè)封 裝內(nèi)的白光LED;也可以是大面積單芯片單獨(dú)封裝的白光LED。
4.如權(quán)利要求1中的光錐器件其主要作用是將LED發(fā)出的大角度光線經(jīng)過反射或者是 全反射的方式引導(dǎo)到IXD屏上。
5.如權(quán)利要求1和4所述的光錐器件其整體形狀是中空形狀，若其內(nèi)表面對光線進(jìn)行 反射，則內(nèi)表面覆有高反射率的膜；若其外表面對光線進(jìn)行反射，則進(jìn)行合理的光學(xué)設(shè)計(jì)， 可以讓光線在外表面實(shí)現(xiàn)全反射或者在外表面覆有高反射率的膜。
6.如權(quán)利要求5所述的光錐器件其各個(gè)方向的反射表面是根據(jù)LED芯片形狀、發(fā)光特 性，LCD屏的形狀，光線在LCD屏上的分布以及光束射向屏的角度決定，各個(gè)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、自由曲面幾種面形拼接而成。
7.如權(quán)利要求2中所述的透鏡可以玻璃材料，也可以是光學(xué)有機(jī)材料如PMMA、PC等， 甚至是玻塑混合；該透鏡可以是常規(guī)的透鏡，也可以是菲涅爾透鏡(螺紋透鏡)。
8.如權(quán)利要求1和2所述的投影光學(xué)照明引擎中，進(jìn)一步包括在LCD屏前增加與LCD 屏像素相對應(yīng)的微透鏡列陣，進(jìn)一步提高光線通過屏的效率，進(jìn)而提高投影光學(xué)照明引擎 效率。
9.一種LCD投影裝置，其特征在于它具有權(quán)利要求1所述的投影光學(xué)照明引擎；以此 投影光學(xué)照明引擎作為核心部件，再加上投影鏡頭以及電路和整機(jī)結(jié)構(gòu)，即可構(gòu)成前投影 和背投影裝置，例如前投影機(jī)或背投電視。
全文摘要
本發(fā)明屬于投影光學(xué)照明引擎。一種LED光源的LCD投影光學(xué)照明引擎由功率白光發(fā)光二極管(201)，帶CF(彩色濾色)膜的成像器件LCD屏(203)以及將LED出射的光線引導(dǎo)到成像器件LCD屏的光錐器件(202)組成。本發(fā)明提供了一種用于LED光源的LCD高效經(jīng)濟(jì)且結(jié)構(gòu)緊湊的投影光學(xué)照明引擎。以此投影光學(xué)照明引擎作為核心部件，再加上投影鏡頭以及電路和整機(jī)結(jié)構(gòu)，即可構(gòu)成前投影和背投影裝置，例如前投影機(jī)或背投電視。
文檔編號F21V5/04GK102081290SQ20091021646
公開日2011年6月1日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者霍永峰 申請人:四川省雷克賽恩電子科技有限公司