采用LED光源的LCD投影光学引擎及其投影装置 【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。
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，并已达到产品实用效果。
【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，以便获得所需的高光源光输出，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，高均匀性和节能环保。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。
【附图说明】
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是光学引擎地基本构成示意图。
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
下面结合附图说明具体实施例：
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高引擎的光效。