CN101939996A - 光模块设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于投影型显示系统的照明系统，更具体地涉及光模块设备，其包括发射第一颜色的光的光源，和设置为接收所述发射的光的像素化的光学元件。所述像素化的光学元件包括第一组像素，用于将呈所述第一颜色的所述发射的光的一部分颜色转换成第二颜色；第二组像素，用于将呈所述第一颜色的所述发射的光的一部分颜色转换成第三颜色；和非转换的、用于让所述发射的光的一部分通过的第三组像素。该设备进一步包括设置在所述像素化的光学元件前面的可寻址的像素化的光学快门，用于调制从所述像素化的光学元件接收的光，结果从所述设备输出光，所输出的光包括经可寻址的像素化的光学快门调制的三种颜色的光。

Description

光模块设备

技术领域

本发明基本涉及针对投影型显示系统的照明系统，更具体地涉及光模块设备。

背景技术

在照明应用中，比如用于为用户的观看在投影屏幕或类似的表面显示图像的投影仪，使用发光二极管(LED)是众所周知的。通常，在目前的LED投影仪中，分别基于液晶显示器(LCD)和数字光处理(DLP)投影系统，两个或三个呈红、绿、蓝三元色的LED模块被利用并替代以前在投影仪系统中使用的UHP灯和滤色器或色轮。DLP投影系统是近几年来变得流行的一类LED投影仪。在这些系统中图像是通过照射数字微镜器件(DMD)并将在DMD上形成的图像投射到屏幕上产生的，其中数字微镜器件是在半导体芯片上的显微型微小可控镜片的矩阵。DMD的单个镜片代表被投影图像中的一个(或更多)像素，并且通常有两种状态：当反射射入的光穿过透镜到屏幕时为一种状态，当将射入的光反射到散热器使得在被投影图像中镜片代表的像素不被照射时为一种状态。

由三星公司提供的针对DLP系统(MP-P300)的基于LED的光引擎包括两个独立的光源：一个绿光发射LED源和一个红光和蓝光发射LED源。这些颜色被顺序驱动。在该光引擎中，该两个光源被导向一个焦点用于照射DMD。使用多个透镜、分色镜和透镜阵列，实现了在光路径上光的塑形、颜色混合及导向而无光损失。连同冷却单个光源的热管，这消耗投影仪系统中可观的宝贵空间。

发明内容

本发明的目的是提供光模块设备和方法用于在投影仪中提供光，消除以上所述的现有技术的缺陷。

该目的通过根据如在权利要求1至14中定义的本发明的设备和方法实现。

本发明是基于如下的见解：通过利用一种颜色的光源，及将光的部分转换成其它颜色，该多种颜色的光随后被光学调制以提供所需的光输出，实现了全色光模块设备，与包括几个独立颜色的光源的全色光模块设备相比需较少的光学组件，并且具有空间有限的散热装置。

因此，根据本发明的一个方面，提供了光模块设备，该光模块设备包括至少一个发射光的光源，其中所述光呈第一颜色；和设置为接收所述发射的光的像素化的光学元件。所述像素化的光学元件包括第一组像素，用于将呈所述第一颜色的所述发射的光的一部分颜色转换成第二颜色；第二组像素，用于将呈所述第一颜色的所述发射的光的一部分颜色转换成第三颜色；和非转换的、用于让所述发射的光的一部分通过的第三组像素。所述第一、第二和第三组像素每组包括至少一个像素。该设备进一步包括设置在所述像素化的光学元件前面的可寻址的像素化的光学快门，用于调制从所述像素化的光学元件接收的光，产生从所述设备输出的光。

因此，提供了光模块设备，其中单色光源方便地被用于生成第二和第三颜色的光。本发明中的颜色转换光学元件由两组进行颜色转换的像素和第三组非颜色转换的像素构成，这些组一起提供三种颜色的光。这光是空间分布的，使得设置在光学元件前面的可寻址的像素化的光学快门方便地寻址所选择的像素，从而分别以每个像素阻止或透射第一、第二和第三颜色的光。这有利地降低了对不同(元)颜色的光源的需要，该不同颜色的光源通常被用在针对投影/显示彩色图像的现有技术的光模块设备中。

根据如在权利要求2中定义的所述设备的实施方式，所述可寻址的像素化的光学快门设置为通过顺序透射从所述各组像素接收的光而调制光。

提供顺序透射第一、第二和第三颜色的光有益于象例如数字处理投影系统的显示应用。

根据如在权利要求3中定义的所述设备的实施方式，荧光剂被布置在所述颜色转换光学元件的所述第一和第二组像素上。通过使用将所述第一颜色的光进行颜色转换的荧光剂可获得大量的不同颜色。此外，使用荧光剂支持提供颜色转换光学元件的小像素，这对于高分辨率的应用是有益的。

根据如在权利要求4中定义的所述设备的可选的实施方式，所述设备进一步包括至少一个发射第四颜色的光的第二光源。当在颜色转换光学元件中实现大量的颜色时，和当具有被不同波长的光激发的颜色转换区域时，这是方便的。

根据如在权利要求5中定义的所述设备的实施方式，所述设备进一步包括透镜阵列。优选地透镜阵列直接与光学快门相连而设置并使从所述光学快门输出的光被校准，这是有益的。

根据如在权利要求6中定义的所述设备的实施方式，所述设备进一步包括散热器。由于根据本发明的所述设备包括至少一个光源以产生单一颜色的光，且所述光在所述设备内沿着共同的光学路径被转发，光源(如果有多个)被如此组装使得单一的散热器被公用于散发来自光源的热量，这又是节省空间的，从而实现了设备的紧凑设计。

根据如在权利要求7中定义的所述设备的实施方式，所述可寻址的像素化的光学快门是液晶单元器件。这是有利的，因为它提供了众所周知的相对廉价和容易掌控的针对光学快门的电光解决方案。

根据如在权利要求8中定义的所述设备的实施方式，所述光源包括至少一个发光二极管。因而，光模块设备可以有一个或多个发光二极管LED作为光源，出于几个原因这是有利的。LED与例如UHP灯相比因其体积小、低功耗和使用寿命长而众所周知。通过增加大量的LED可获得针对所述设备的所需的光强度。

根据如在权利要求9中定义的所述设备的实施方式，所述像素化的光学元件包括至少一组附加的像素，用于将呈所述第一颜色的所述发射的光的一部分颜色转换成附加的颜色。因此，提供了能从设备提供任何数量的所需的光的颜色的光模块设备。

根据如在权利要求10中定义的所述设备的实施方式，其中所述第一和第二颜色是相同的颜色。

根据本发明的实施方式提供如在权利要求11中定义的数字光处理器投影系统，其包括如前面所述的光模块设备，和数字微镜器件。光模块设置为在光路径中提供颜色顺序化的光给所述数字微镜器件。在投影系统中利用根据本发明的光模块设备提供如上针对光模块设备所述的优势。

根据如在权利要求12中定义的所述系统的实施方式，所述系统进一步包括布置在所述光路径上的反射镜以将来自所述光模块的所述颜色顺序化的光朝所述数字微镜器件反射，这是有益的。

根据如在权利要求13中定义的所述系统的实施方式，所述系统进一步包括透镜器件，用于投射彩色图像，这是有利的。

根据本发明的第二个方面，如在权利要求14中定义的，提供在包括数字微镜器件的数字光处理器投影仪中提供光的方法，所述方法包括：

-提供第一颜色的光，

-通过照射像素化的光学元件，将呈所述第一颜色的所述光的部分颜色转换成第二颜色的光和第三颜色的光，所述像素化的光学元件包括针对所述第二和第三颜色的第一和第二组颜色转换子区域，其中所述像素化的光学元件进一步包括非转换的子区域，用于提供呈所述第一颜色的光的一部分，

-将呈所述第一、第二和第三颜色的光的所述部分提供给可寻址的像素化的光学快门，

-用所述可寻址的像素化的光学快门光调制所述第一、第二和第三颜色的光的所述部分，

-将从所述可寻址的像素化的光学快门输出的所述经调制的光提供给所述数字微镜器件。

因此，提供了用于在包括微镜器件的数字光处理器投影仪中提供光的方法，所述方法在提供针对投影仪的全色投影时利用光源的单色光。

根据如在权利要求15中定义的所述方法的实施方式，光调制所述第一、第二和第三颜色的光的所述部分的所述步骤包括分别顺序透射所述第一、第二和第三颜色的光。

根据如在权利要求16中定义的所述方法的实施方式，荧光剂被布置在所述第一和第二组颜色转换子区域上。此外每个子区域包括至少一个像素。

根据如在权利要求17中定义的所述方法的实施方式，将所述经调制的光提供给所述数字微镜器件的所述步骤包括校准所述经调制的光。

本发明的其它目的、特征和优势将从下面详细公开的内容、从附后的从属权利要求以及从附图显现。

一般来说，权利要求中使用的所有术语应根据它们在技术领域的普通含义解释，除非本文另有明确定义。关于“不定冠词‘一’/限定词‘所述’[元件、设备、组件、方法、步骤等]”的所有引用将被解释为是指元件、设备、组件、方法、步骤等的至少一个实例，除非另有明确规定。本文所公开的任何方法的步骤不必依公开的确切的顺序执行，除非明确规定。

附图说明

以上所述的，以及本发明的其它目的、特征和优势，将通过本发明的优选的实施方式的下面示意性的和非限制性的详细说明并参照附图更好地理解，相同的附图标记将用于类似的元件，其中：

图1是根据本发明的光模块设备的实施方式中光路径的示意；

图2是根据本发明的光模块设备的实施方式的截面图；

图3是根据本发明的实施方式的颜色转换像素化的光学元件的示意；

图4是根据本发明的光模块设备的实施方式的截面图；

图5是根据本发明的数字光处理器投影系统的实施方式的截面图；

图6是描述根据本发明的方法的实施方式的流程图。

具体实施方式

根据本发明的第一实施方式，提供了光模块设备，其在以下称为“CLM”(紧凑光模块)。CLM的原理结构和光调制的示意在图1中描述。CLM 100包括发射第一颜色C1的光的光源10；被设置为接收从光源10发出的光的像素化的光学元件20；和可寻址的像素化的光学快门30，其在以下被称作光学快门，并设置在像素化的光学元件20前面，从该光学快门经光学快门30调制的光被从CLM 100输出。

像素化的光学元件20，以下称为光学元件，包括带颜色转换功能的子区域以及非转换的子区域。具体而言，光学元件20有：非转换像素21，其中来自光源10的光通过该非转换像素；以及将第一颜色C1的光颜色转换成第二颜色C2的像素22和将第一颜色C1的光颜色转换成第三颜色C3的像素。因此，当颜色C1的光照射光学元件20，便提供了总共有三种颜色C1、C2和C3的空间分布的光源。

在另一种实施方式中颜色C1和C2是相同的颜色，这样提供了有两种颜色的空间分布的光源。

此外，光学快门30是以需要的方式寻址，以便有选择性地调制从CLM 100输出的光。在图1的示意中，来自像素21和22的光被阻止，结果只有颜色为C2的光从CLM 100输出。

参考图2，CLM 100的实施方式包括多个光源10。这增强了第一颜色C1的光的强度，这相应地增强了从颜色转换光学元件20输出的光(即颜色C1、C2和C3的光)及从光学快门30输出的光，因而增强了从CLM 100输出的光。这在不改变CLM 100的孔径的情况下是可能的。光源10布置在基板55上。此外，设置塑形为被平行于其基底截断的锥状的反射器50，使得它包围光源10以反射从光源10侧向发出的光并反射从光学元件20后向散射的光。光学元件20布置在反射器50的基底上，基板55布置在反射器50的相对端。在这种实施方式中光学快门30紧靠光学元件20。

在另一种实施方式中，光学快门30和光学元件20是隔开的。波导、滤光片、光学组件或材料可被设置在光学元件20和光学快门30之间。

在CLM 100的一种实施方式中，光学快门30以液晶单元器件实现，即液晶快门。液晶快门通常包括夹在交叉偏光板和玻璃或聚合物基板之间的液晶层，并进一步设置为有可寻址的电极矩阵，即像素。液晶层以这样一种方式被定向，使得针对每个像素可以实现光调制的至少两种状态：一种透射状态和一种阻塞状态。当像素被连接到电压时这些状态的一种通常会发生，以及当没有电压(或者第二电压)施加到像素时另一状态发生。如本领域技术人员知晓的，在市面上现有众多的LC-快门变种，和利用替代性技术的也具有与光学组件相同功能的相应的电光快门。这些构成了用于实现光学快门的合适的替代品，并被认为落入本发明的精神和范围，并不会在这里进一步被讨论。

在CLM 100的该实施方式中，如上所述，光源10包括至少一个发光二极管LED。第一颜色C1为蓝色的光从现有技术的LED阵列发出。如在上面提及的，可以增加大量的光源以便获得从CLM 100输出的光的所需的强度。

光源10发光的颜色C1优选是元色。这是直接由LED芯片产生的。在另一种实施方式中C1颜色的光间接地由使用光源10中的荧光转换LED产生。

光学元件20的示意性的例子示于图3。光学元件20在这里设置有3组像素，提供颜色为蓝色21、绿色22、和红色23的光。在该例子中像素21至23的大小设置为具有比例绿色∶红色∶蓝色＝3∶2∶1。因此，提供绿光22的子区域大小是提供蓝光21的子区域的3倍，同时提供红光23的子区域大小是提供蓝光21的子区域的2倍。单个子区域的尺寸、像素尺寸、形状和在光学元件20上的分布优选是对每个应用优化了的。在接近光学元件20边缘的区域，由于从光源10发射的光的分布，入射光衰减，这可通过增大在这些区域的所选择的像素尺寸以从每个子区域获得更多的光而得到补偿。

所提供的从CLM 100输出的光的颜色C1、C2和C3通常是不同的元色，比如红色(R)、绿(G)和蓝色(B)的组合。如本领域技术人员共识的，其它颜色的组合和其它数量的颜色有可能用该光模块设备实现，因而落入本发明的精神和范围内。

在根据本发明的CLM 400的实施方式中，如图4所示，现有技术的LED阵列410和蓝光LED阵列411用组装在基板455上的管芯来设置，其中该LED阵列410的存在是为发射能激活设置在CLM400中的光学元件420的颜色转换区域的光。此外，散热器460例如通过焊接或粘合的方法连接到基板的反面。或者管芯可直接提供到散热器460上。散热器460支持用于冷却光源410的热管理。散热器460直接布置在CLM400的光源410的背后，所以没有必要设立昂贵的热管构造以将热从每个单独的光源410传递到远处的散热器和风扇。

此外，设置塑形为被平行于其基底截断的锥状的反射器450使得它包围光源10。光学元件420安装在反射器450的基底上，使从光源410发出的光照射光学元件420。基板455安装在反射器450的另一端。在这种实施方式中，光学快门430紧靠光学元件420。光学快门430在与光学元件420相反的一侧被提供有透镜阵列440，用于校准从光学快门430输出的光。

光学元件420包括提供有红色和绿色远程荧光剂(remote phosphor)的子区域。这些子区域分别对应于如前面所述的并如图1和图3所示的子区域22和23。所述子区域以定义的颜色矩阵印制。当来自LED阵列410的光照射光学元件420时，所述光激活子区域22和23的红色和绿色远程荧光剂，使得红色和绿色的光从这些子区域重新发射出。

此外，光学元件420被提供有透明窗口，该透明窗口对应于如前面所述并如图1和图3所示的子区域21。由蓝光LED阵列411发出的光的一部分透过这些窗口。由LED阵列410发出的光的一部分也透过这些窗口。然而，这种光可被选择为例如与LED阵列410有相同的颜色，或者有不可见的波长。光学元件420从而提供红色、绿色和蓝色光。

可寻址的像素化的光学快门430接收从光学元件420发出的并穿过光学元件420的光。光学快门430设置为，通过针对每个像素位置和针对每一时刻或透射或阻止光学元件420输出的光，调制从CLM 400输出的光。光学快门430由具有适当的投影机控制软件(未显示)的控制器控制。

如上所述，光学元件420提供红色、绿色和蓝色的光。当控制光学快门430使得在同一时间透射多种颜色，颜色混合便实现了。

在CLM 400的一种实施方式中，光学快门430被寻址为比如顺序地透射光学元件420提供的每种单独颜色的光。顺序的模式可以采取不同的形态。通常，从CLM输出的光可以依据如下模式随时间改变：

红-绿-蓝-红-绿-蓝-红-绿-蓝，或

红-蓝-绿-红-蓝-绿-红-蓝-绿，或

红-蓝-红-绿-红-蓝-红-绿-红-蓝-红-绿，等等。每个颜色输出的频率/时间和顺序取决于当前的应用。光学快门430的最低切换时间将限制切换从设备输出的颜色的频率。

在可选的实施方式中，光学快门430被控制以提供不同的颜色混合，和/或提供针对CLM 400的光输出区域的单独部分的单一颜色调制，所述光输出区域即像素化光学快门430的区域。在可选的实施方式中，CLM的光输出区域被划分以便提供针对红光的一条光路径、针对绿光的一条光路径和针对蓝光的一条光路径。针对每个颜色的光路径在空间上是分开的。

在本发明可选的实施方式中，CLM 400进一步设置有透镜阵列440，该透镜阵列设置为校准从光学快门430输出的光。透镜阵列440在这个示范性的例子中是粘合到光学快门430上的透镜引领的阵列箔。

根据本发明的实施方式，CLM 400包括在数字光处理器投影系统500(DLP)中。从CLM 400输出的光被直接投射到数字微镜器件501，图5a)。在另一种实施方式中，反射镜502布置在CLM 400的光路径中以反射从CLM输出的光到数字微镜器件(DMD)501，如图5b)所示。在根据本发明的CLM 400中，如现有技术中为光束塑形、颜色混合、及将三色光束导向到反射镜502(或者可选地DMD501)上所需要的所有额外的特征，是没有必要的，从而允许投影系统500的紧凑设计。

根据本发明的CLM 400的总厚度小于5毫米。CLM可缩成更小的DLP尺寸(0.44英寸)而不丧失功能，并可适用于手机应用。CLM 400在其它投影系统中也适用。

在CLM可选的实施方式中，用任何适当的电光技术实现的光学快门430，被利用来产生对CLM 400的输出的局部调光。通过凭借顺序地寻址光学快门430局部调节光输出，便得到了像在传统的液晶显示器的背光中一样的局部调光。当CLM 100被利用在根据本发明的数字光处理器投影系统500时，此功能提高对比度，因而改善图像质量。

用于在包括数字微镜器件的数字光处理器投影仪中提供光的方法的实施方式如图6所示。在图框600提供第一颜色的光。该方法以将所述第一颜色的所述光的部分颜色转换成第二颜色的光和第三颜色的光作为继续，图框610。这是通过照射像素化的光学元件实现的，其中所述光学元件包括针对第二和第三颜色的第一和第二组颜色转换子区域。所述像素化的光学元件进一步包括非转换子区域，用于提供第一颜色的光的一部分。另外，在图框620，第一、第二和第三颜色的光的部分被提供给可寻址的像素化的光学快门。在图框630，所述光用可寻址的像素化的光学快门进行光调制，最后在图框650，经调制的光被提供给数字微镜器件。

在所述方法的可选的实施方式中，对在图框610输出的光进行光调制的步骤，即当分别凭借颜色转换和透射提供了三种不同颜色的光时，包括分别顺序透射第一、第二和第三颜色的光。

在根据本发明的所述方法的实施方式中，提供经调制的光给数字微镜器件的步骤包括校准所述经调制的光，图框640。

在上面，根据如在所附的权利要求书所定义的本发明的设备和方法的实施方式已被描述。这些仅应被视为是非限制的例子。如熟练技术人员应理解的，许多修改和替代性的实施方式在本发明的范围内是可能的。

应该指出，为本申请的目的，特别是关于所附的权利要求，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”不排除复数形式，这对本领域的技术人员本身将是显而易见的。

Claims (17)

1.一种光模块设备，包括：

至少一个发射光的光源，其中所述光呈第一颜色；

设置为接收所述发射的光的像素化的光学元件，所述像素化的光学元件包括第一组像素，用于将呈所述第一颜色的所述发射的光的一部分颜色转换成第二颜色；第二组像素，用于将呈所述第一颜色的所述发射的光的一部分颜色转换成第三颜色；和非转换的、用于让所述发射的光的一部分通过的第三组像素，所述第一、第二和第三组像素每组包括至少一个像素；以及

设置在所述像素化的光学元件前面的可寻址的像素化的光学快门，用于调制从所述像素化的光学元件接收的光，产生从所述设备输出的光。

2.根据权利要求1的光模块设备，其中所述可寻址的像素化的光学快门设置为通过顺序透射从所述各组像素接收的光而调制光。

3.根据权利要求1或2的光模块设备，其中荧光剂被布置在所述颜色转换光学元件的所述第一和第二组像素上。

4.根据权利要求1至3之任一的光模块设备，进一步包括至少一个发射第四颜色的光的第二光源。

5.根据前面的权利要求之任一的光模块设备，进一步包括透镜阵列。

6.根据前面的权利要求之任一的光模块设备，进一步包括散热器。

7.根据前面的权利要求之任一的包括光模块的光模块设备，其中所述可寻址的像素化的光学快门是液晶单元器件。

8.根据前面的权利要求之任一的光模块设备，其中所述光源包括至少一个发光二极管。

9.根据前面的权利要求之任一的光模块设备，其中所述像素化的光学元件包括至少一组附加的像素，用于将呈所述第一颜色的所述发射的光的一部分颜色转换成附加的颜色。

10.根据前面的权利要求之任一的光模块设备，其中所述第一和第二颜色是相同的颜色。

11.一种数字光处理器投影系统，包括根据权利要求1至10之任一的光模块设备，和数字微镜器件，其中所述光模块设备设置为在光路径中提供颜色顺序化的光给所述数字微镜器件。

12.根据权利要求11的数字光处理器投影系统，进一步包括布置在所述光路径上的反射镜，用于将来自所述光模块设备的所述颜色顺序化的光朝所述数字微镜器件反射。

13.根据权利要求12的数字光处理器投影系统，进一步包括透镜器件，用于投射所述彩色图像。

14.一种在包括数字微镜器件的数字光处理器投影仪中提供光的方法，所述方法包括：

-提供第一颜色的光；

-通过照射像素化的光学元件，将呈所述第一颜色的所述光的部分颜色转换成第二颜色的光和第三颜色的光，所述像素化的光学元件包括针对所述第二和第三颜色的第一和第二组颜色转换子区域，其中所述像素化的光学元件进一步包括非转换的子区域，用于提供呈所述第一颜色的光的一部分；

-将呈所述第一、第二和第三颜色的光的所述部分提供给可寻址的像素化的光学快门；

-用所述可寻址的像素化的光学快门光调制所述第一、第二和第三颜色的光的所述部分；

-将从所述可寻址的像素化的光学快门输出的所述经调制的光提供给所述数字微镜器件。

15.根据权利要求14的方法，其中光调制所述第一、第二和第三颜色的光的所述部分的所述步骤包括分别顺序透射所述第一、第二和第三颜色的光。

16.根据权利要求14或15的方法，其中荧光剂被布置在所述第一和第二组颜色转换子区域上，其中每个子区域包括至少一个像素。

17.根据权利要求14至16之任一的方法，其中将所述经调制的光提供给所述数字微镜器件的所述步骤包括校准所述经调制的光。

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