ИСТОЧНИК СВЕТА ДЛЯ ПРОЕКТОРА Российский патент 2013 года по МПК G03B21/00 H04N9/31 

Уровень техники

Область изобретения

Представленное изобретение относится к источнику света, который создает коллимированный пучок в таких системах, как проектор.

Описание предшествующего уровня техники

Полупроводниковые устройства излучения света, такие как светодиоды (LEDs), в настоящее время являются наиболее эффективными источниками света. Системы материалов, используемые в производстве LED высокой яркости, способных функционировать в видимом спектре, включают полупроводники группы III-V, конкретно двух-, трех-, и четырехкомпонентные сплавы галлия, алюминия, индия, и азота, также называемых высокоазотистыми материалами; и двух-, трех- и четырехкомпонентные сплавы галлия, алюминия, индия, мышьяка и фосфора. Высокоазотистые устройства часто эпитаксиально выращиваются на сапфире, карбиде кремния или высокоазотистых субстратах и высокофосфорные устройства эпитаксиально выращиваются на арсениде галлия химическим осаждением паров металлорганических соединений (MOCVD), молекулярно-пучковой эпитаксией (MBE), или другими эпитаксиальными методами. Устройства III-V включают в себя светоизлучающую или активную область, размещенную между областью n-типа и областью p-типа.

Весьма перспективно использование полупроводниковых светоизлучающих устройств в качестве источника света в проекторе, в котором изображения на жидкокристаллическом экране (LCD) увеличиваются и проецируются. В обычном проекторе предшествующего уровня техники LCD освещается металлогалоидной или галогенной лампой. Использование таких ламп ограничивает уровень, до которого можно уменьшать размер источника света и, как следствие, размер проектора.

На фиг.1 приведен вид в перспективе обычного проектора предшествующего уровня техники, описанный подробнее в патенте США 7131735. Светодиоды (LEDs) 103, служащие точечными источниками света, размещены в плоскую сборку, направленную на торец блока световода 102 (прямоугольный блок акриловой резины). Диоды отделены от блока световода 102. Жидкокристаллический дисплей 101 размещен на другом торце блока световода 102. Свет, излучаемый светоизлучающим торцом блока световода 102, попадает на жидкокристаллический дисплей 101.

Изображение, отображаемое на жидкокристаллическом дисплее 101, увеличивается проекционным объективом 104 и проецируется на экран. Блок световода, который необходим для перемешивания света от LEDs 103, с целью равномерного освещения жидкокристаллического дисплея 101, делает проектор неудобно громоздким.

Сущность изобретения

В соответствии с осуществлениями изобретения проектор включает в себя множество осветительных модулей. Каждый осветительный модуль включает в себя источник света, такой как полупроводниковый светодиод, и оптический элемент, сконфигурированный для приема света от источника света и коллимирования света в пучок. Свет из осветительных модулей передается на жидкокристаллическую панель дисплея и затем на объектив проектора.

В некоторых осуществлениях между осветительными модулями и жидкокристаллической панелью дисплея размещается вторичная оптика, такая как матрица линз Френеля или зеркальный поляризатор. В некоторых осуществлениях, жидкокристаллическая панель дисплея представляет собой дисплей на низкотемпературных полисиликоновых жидких кристаллах.

В связи с тем, что каждый источник света снабжен своей собственной основной оптикой, основная оптика может быть меньше, чем основная оптика, разделяемая всеми источниками света, такая как блок световода, проиллюстрированный на фиг.1. В результате проекторы, содержащие такие осветительные модули, могут быть меньше, тоньше и дешевле в производстве, чем обычные проекторы. Дополнительно, так как каждый осветительный модуль освещает часть жидкокристаллической панели, количество энергии, подводимой к каждому осветительному модулю, можно отрегулировать на основании отображаемого изображения, потенциально снижая энергопотребление и улучшая контрастность проецируемого изображения.

Краткое описание фигур

На фиг.1 приведен вид в перспективе проектора предшествующего уровня техники.

На фиг.2 приведен вид в разрезе проектора, соответствующего осуществлениям изобретения.

На фиг.3 проиллюстрирован осветительный модуль с несколькими LEDs.

На фиг.4 приведен вид в разрезе проектора с поляризатором.

На фиг.5 проиллюстрирована система для регулировки яркости каждого осветительного модуля для данного набора данных изображения.

На фиг.6 проиллюстрирована система для корректировки данных изображения для настоящей равномерности освещения в проекторе.

На фиг.7 приведен вид части проектора в разрезе с двойной матрицей элементарных линз для освещения LCD.

Подробное описание

В соответствии с вариантами осуществления изобретения осветительный модуль включает в себя один или более LEDs, объединенных с оптикой. Каждый осветительный модуль может обеспечивать коллимированный пучок белого света. Несколько осветительных модулей можно использовать, например, в сочетании с пропускающей LCD-панелью и проекционным объективом, для проецирования изображений на стену или экран. Система легко масштабируется добавлением или удалением осветительных модулей.

На фиг.2 приведен вид проектора в разрезе по первому варианту осуществления. Предусмотрен один или более осветительных модулей 15, смонтированных на необязательном радиаторе охлаждения 10. Каждый осветительный модуль включает в себя источник света 14, смонтированный на узле крепления 12. Основная оптика 16 размещена над LED 14. Каждый осветительный модуль 15 расположен на одной оси с вторичной оптикой 18. LCD-панель 20 принимает свет от вторичной оптики 18. Свет затем падает на линзу 22, которая, например, может быть линзой Френеля, и на проецирующий объектив 24. Линзу 22 можно наклонять для коррекции трапецеидальных искажений проецируемого изображения, если проецируемое изображение наклонено относительно поверхности, на которую проецируется изображение.

Каждый осветительный модуль 15 включает в себя источник света, который излучает белый свет. Подходящие источники света включают в себя одиночный LED, как проиллюстрировано на фиг.2, или несколько LEDs. Подходящие LEDs можно конфигурировать для излучения большей части света с боковой поверхности LED или с верхней поверхности LED, как известно в данной области. Примером подходящего одиночного LED является одиночный LED синего или UV свечения, скомбинированный с одним или более фосфорными элементами таким образом, что свет, излучаемый фосфорным элементом, и, возможно, LED, смешивается и кажется белым.

На фиг.3 приведен вид осветительного модуля в разрезе, включающего в себя несколько LED, и вид четырех LED в плане, использованных в осветительном модуле. Четыре LEDs, 14A, 14B, 14C и 14D, смонтированные на узле крепления 12, расположены квадратом, и затем размещены внутри или рядом с основной оптикой 16. Можно использовать больше или меньше LEDs и отличные от квадрата расположения. Каждый из LEDs 14A-D может являться LED c фосфорным преобразованием, излучающим белый свет, или можно использовать комбинацию LEDs красного, зеленого и синего свечения, или можно использовать комбинацию LEDs красного, зеленого и синего свечения.

Основная оптика 16 собирает свет от источника света 14 в конус света. В некоторых вариантах осуществления основная оптика 16 коллимирует свет в конус, меньший чем 2×60° (т.е. 60° от нормали). Когда конус меньше, чем 2×12°, размер основной оптики 16 может быть неудобно большим. Примеры подходящей основной оптики 16 включают в себя прямоугольные или квадратные открытые коллиматоры, или комбинированный параболический концентратор, формируемый, например, помещенной на пластик отражающей пленкой, такой как алюминиевая или серебряная; или сплошной пластиковой, или стеклянной линзой.

Вторичная оптика 18 собирает пучки от каждого осветительного модуля в маленькие осветительные пучки, например, в конусы не больше чем 2×18,2°, соответствующих значению относительного отверстия F# 1.6, основываясь на размерах LCD, но могут быть размером до 2×3°, соответствуя относительному отверстию F# 10. Примеры подходящей вторичной оптики 18 включают линзы Френеля или купольные линзы. Вторичную оптику 18 можно формировать, например, матрицей линз в одном листе линзового материала.

Каждый осветительный модуль 15 освещает часть LCD 20. Как проиллюстрировано на фиг.2, световые пучки от соседних осветительных модулей 15 могут перекрываться на поверхности LCD 20. Перекрытие может специально уменьшать видимость границы между соседними осветительными модулями, в частности, в системах, включающих в себя электронику для регулировки яркости каждого модуля на основании данных изображения, как описано ниже. Размер перекрытия является функцией фокусного расстояния вторичной оптики 18 и расстояния между вторичной оптикой 18 и LCD 20.

LCD 20 может являться, например, низкотемпературным полисиликоновым (LTPS) LCD, или любым другим подходящим LCD. Проекционная система, показанная на фиг.2, это цветная проекционная система, таким образом, LCD 20 воспроизводит цветные изображения, например, светофильтрами для создания красных, зеленых и синих субпикселей, как известно в данной области.

LTPS LCDs обычно используют в маленьких дисплеях, таких как дисплеи сотовых телефонов и персональных цифровых помощников. подходящие LTPS LCDs доступны от TPO, Чунань, Тайвань. Подходящие прямоугольные LCD-панели, доступные от TPO, размером, например, от 2,8 до 4,3 дюймов по диагонали, однако можно использовать LCD-панели размером до одного дюйма по диагонали.

В некоторых осуществлениях на выходе из проекционного объектива 24 системы, проиллюстрированной на фиг.2, может требоваться яркость от 50 до 1000 люмен (lm), однако, в некоторых осуществлениях, таких как ультрапортативные устройства, может быть приемлема меньшая яркость. LTPS LCD-панели часто имеют кпд светопропускания для неполяризованного белого света 5%. Для создания 50 люмен на выходе из проекционного объектива 24 при 5% кпд светопропускания LCD-панели и 50% кпд оптических компонентов (т.е. линзы 22, проекционного объектива 24, и зоны неэффективной освещенности на LCD), матрица осветительных модулей должна производить как минимум 2000 люмен; для создания 250 люмен на выходе, матрица должна производить как минимум 10000 люмен. Доступны белые LED, производящие 100 люмен на 1 мм² площади кристалла при потреблении электрической мощности в 2,5 ΔТ. Для проектора в 50 люмен требуется 20 таких LED. Например, можно использовать матрицу 4×5 осветительных модулей 15, каждый с одиночным белым LED 14, с суммарным потреблением мощности в 50 ΔТ. Для проектора в 250 люмен требуется 100 LED, с суммарным потреблением мощности в 250 ΔТ.

Светосила системы, проиллюстрированной на фиг.2, относится к площади LCD-панели 20, относительному отверстию проекционного объектива 24, которое должно соответствовать площади кристалла LED источника света 14, углу собранного конуса и конструктивным параметрам оптики, таким как площади неэффективного освещения на LCD. Изобретатели вычислили светосилу в 61 мм²стер, при площади кристалла LED в 20 мм², излучающей свет в соответствии с Ламбертовой диаграммой направленности, которая соответствует эффективности системы, соответствующей фиг.2 с 50 люмен выходом с проекционного объектива 24.

Обычные проекторы могут использовать высокотемпературные полисиликоновые панели или системы, основанные на микро-электро-механических системах (MEMS), таких как телевизоров заднего проецирования цифровой обработки света. Такие типы дисплеев требуют источников высокой светимости и могут быть дорогостоящими из-за сложной оптики и относительно невысоких объемов производства и низкого выхода годной продукции. При использовании LTPS LCD, напротив, по сравнению с обычными проекторами стоимость и размер дисплея можно уменьшить.

В некоторых осуществлениях, между осветительными модулями и LCD можно поместить поляризатор, как проиллюстрировано на фиг.4. Большая часть LCD требует поляризованного света, таким образом, включение зеркального поляризатора 26 между вторичной оптикой 18 и LCD 20 может увеличить эффективность проектора. Cвет c поляризацией, которую не может использовать LCD 20, отражается поляризатором 26 обратно к вторичной оптике 18, где его, потенциально, можно отразить с используемой поляризацией, и в итоге пройти поляризатор 26. Соответственно, поляризатор 26 может увеличить эффективность системы и снизить потребление энергии.

В связи с тем, что каждый осветительный модуль 15 освещает часть LCD-панели 20, яркость от каждого осветительного модуля 15 можно регулировать для данного набора данных изображения, как проиллюстрировано на фиг.5. Данные изображения 32, которые предоставляются контроллеру LCD 28 для формирования на LCD 20 соответствующего изображения, также предоставляются напрямую или опосредованно задающей схеме LED 30. Например, для данного изображения, часть изображения, соответствующая осветительному модулю 15A, может быть темнее, в то время как часть изображения, соответствующая осветительному модулю 15B, может быть ярче. Задающая схема LED 30 может принять данные изображения и в ответ подать больше мощности осветительному модулю 15B для выработки большего количества света и меньше мощности для осветительного модуля 15A для выработки меньшего количества света. Регулировка яркости каждого осветительного модуля для соответствия данным изображения может увеличить контрастность и снизить энергопотребление проектора.

В некоторых осуществлениях равномерность освещенности можно улучшить электронным образом, например, системой, проиллюстрированной на фиг.6, позволяя использовать оптику большей эффективности, которая без электронного улучшения может быть недостаточно равномерной.

В системе, проиллюстрированной на фиг.6, осветительные сегменты 15 и вторичная оптика 18 показаны как блок 36. Контроллер LCD 28 принимает данные изображения 32 и данные измерений равномерности освещенности 38. Контроллер LCD 28 корректирует данные изображения для совпадения с действительной, измеренной освещенностью 38 каждой части LCD-панели 20. Затем скорректированные данные 40 предоставляются на LCD 20.

В альтернативном осуществлении, проиллюстрированном на фиг.7, интегратор матрицы элементарных линз 42 размещен между вторичной оптикой 18 и LCD-панелью 20.

Проекторы, описанные в осуществлениях выше, могут предоставлять преимущества над проекторами предыдущего уровня техники, такими как проектор, проиллюстрированный на фиг.1. Поскольку каждый источник света соответствует основной оптике, основная оптика может быть меньше, чем основная оптика, разделяемая всеми источниками света, такая как блок световода, проиллюстрированный на фиг.1. Осветительные модули, описанные в осуществлениях изобретения, могут, как следствие, быть тоньше чем обычные источники света, например, толщиной от полудюйма до дюйма. В результате, проекторы, включающие в себя такие осветительные модули, могут быть меньше, легче и дешевле, чем обычные проекторы.

Описав изобретение детально, специалисты в данной области учитывают, что, обладая данным описанием, в изобретение можно вносить изменения без отхода от концепции изобретения, описанного в настоящем документе. Таким образом, не предполагается ограничивать рамки изобретения конкретными описанными и проиллюстрированными вариантами осуществления.

Устройство содержит множество осветительных модулей, каждый из которых включает источник света и оптический элемент, сконфигурированный для приема света из источника света и коллимирования света в пучок, жидкокристаллическую панель дисплея, контроллер, принимающий данные изображения и данные измерений равномерности освещенности, соответствующие действительной освещенности каждой из множества частей жидкокристаллической панели дисплея, и проекционный объектив. Жидкокристаллическая панель дисплея размещена между множеством осветительных модулей и проекционным объективом. Контроллер выполнен с возможностью управления освещенностью в данных изображения посредством корректирования данных изображения для совпадения с действительной, измеренной освещенностью каждой части жидкокристаллической панели, и последующего предоставления скорректированных данных в жидкокристаллическую панель дисплея, или регулирования яркости каждого осветительного модуля на основании данных изображения. 18 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Прожектор, содержащий:
множество осветительных модулей, каждый из которых включает:
источник света; и
оптический элемент, сконфигурированный для приема света из источника света и коллимирования света в пучок;
жидкокристаллическую панель дисплея;
контроллер, принимающий данные изображения и данные измерений равномерности освещенности, соответствующие действительной освещенности каждой из множества частей жидкокристаллической панели дисплея, и
проекционный объектив;
при этом жидкокристаллическая панель дисплея размещена между множеством осветительных модулей и проекционным объективом, и контроллер выполнен с возможностью управления освещенностью в данных изображения в жидкокристаллической панели дисплея посредством по меньшей мере одного из:
корректирования данных изображения для совпадения с действительной, измеренной освещенностью каждой части жидкокристаллической панели, и последующего предоставления скорректированных данных в жидкокристаллическую панель дисплея,
и регулирования яркости каждого осветительного модуля на основании данных изображения.

2. Прожектор по п.1, в котором первым оптическим элементом является каждый оптический элемент из множества осветительных модулей, при этом прожектор также включает как минимум один второй оптический элемент, причем как минимум один второй оптический элемент размещен между множеством осветительных модулей и жидкокристаллической панелью дисплея.

3. Прожектор по п.2, в котором каждый источник света включает полупроводниковое устройство излучения света, которое излучает белый свет.

4. Прожектор по п.2, в котором каждый источник света включает полупроводниковое устройство излучения света, которое излучает синий свет, полупроводниковое устройство излучения света, которое излучает зеленый свет, полупроводниковое устройство излучения света, которое излучает красный свет.

5. Прожектор по п.2, в котором каждый первый оптический элемент включает линзу.

6. Прожектор по п.2, в котором каждый первый оптический элемент включает составной параболический концентратор.

7. Прожектор по п.2, в котором каждый первый оптический элемент включает отражатель.

8. Прожектор по п.2, в котором каждый первый оптический элемент излучает пучок света конусом света от 2·12° до 2·60°.

9. Прожектор по п.2, также включающий множество вторых оптических элементов, при этом каждый второй оптический элемент находится на одной оси с осветительным модулем.

10. Прожектор по п.9, в котором каждый второй оптический элемент включает линзу Френеля.

11. Прожектор по п.9, в котором множество вторых оптических элементов сформировано в одном блоке материала.

12. Прожектор по п.2, в котором второй оптический элемент включает в себя зеркальный поляризатор.

13. Прожектор по п.2, также включающий матрицу линз, расположенную между вторым оптическим элементом и жидкокристаллическим дисплеем.

14. Прожектор по п.1, также включающий задающую схему, которая подсоединена к множеству осветительных модулей и сконфигурирована для приема данных изображения и обеспечения мощности каждому осветительному модулю на основании данных изображения.

15. Прожектор по п.1, в котором жидкокристаллическая панель дисплея представляет собой низкотемпературную полисиликоновую жидкокристаллическую панель дисплея.

16. Прожектор по п.1, в котором жидкокристаллическая панель дисплея принимает пучок света конусом света между 2·3° и 2·18,2°.

17. Прожектор по п.2, в котором второй оптический элемент сконфигурирован испускать пучок света конусом света между 2·3° и 2·18,2°.

18. Прожектор по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью управления освещенностью в данных изображения посредством корректирования данных изображения для совпадения с действительной, измеренной освещенностью каждой части жидкокристаллической панели, и последующего предоставления скорректированных данных в жидкокристаллическую панель дисплея.

19. Прожектор по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью управления освещенностью в данных изображения посредством регулирования яркости каждого осветительного модуля на основании данных изображения.