光模塊設備的製作方法

2023-10-06 08:00:34

專利名稱：光模塊設備的製作方法
技術領域：
本發明基本涉及針對投影型顯示系統的照明系統，更具體地涉及光模塊設備。
背景技術：
在照明應用中，比如用於為用戶的觀看在投影屏幕或類似的表面顯示圖像的投影 儀，使用發光二極體(LED)是眾所周知的。通常，在目前的LED投影儀中，分別基於液晶顯 示器(IXD)和數字光處理(DLP)投影系統，兩個或三個呈紅、綠、藍三元色的LED模塊被利 用並替代以前在投影儀系統中使用的UHP燈和濾色器或色輪。DLP投影系統是近幾年來變 得流行的一類LED投影儀。在這些系統中圖像是通過照射數字微鏡器件(DMD)並將在DMD 上形成的圖像投射到屏幕上產生的，其中數字微鏡器件是在半導體晶片上的顯微型微小可 控鏡片的矩陣。DMD的單個鏡片代表被投影圖像中的一個(或更多)像素，並且通常有兩種 狀態當反射射入的光穿過透鏡到屏幕時為一種狀態，當將射入的光反射到散熱器使得在 被投影圖像中鏡片代表的像素不被照射時為一種狀態。由三星公司提供的針對DLP系統(MP-P300)的基於LED的光引擎包括兩個獨立的 光源一個綠光發射LED源和一個紅光和藍光發射LED源。這些顏色被順序驅動。在該光 引擎中，該兩個光源被導向一個焦點用於照射DMD。使用多個透鏡、分色鏡和透鏡陣列，實現 了在光路徑上光的塑形、顏色混合及導向而無光損失。連同冷卻單個光源的熱管，這消耗投 影儀系統中可觀的寶貴空間。

發明內容
本發明的目的是提供光模塊設備和方法用於在投影儀中提供光，消除以上所述的 現有技術的缺陷。該目的通過根據如在權利要求1至14中定義的本發明的設備和方法實現。本發明是基於如下的見解通過利用一種顏色的光源，及將光的部分轉換成其它 顏色，該多種顏色的光隨後被光學調製以提供所需的光輸出，實現了全色光模塊設備，與包 括幾個獨立顏色的光源的全色光模塊設備相比需較少的光學組件，並且具有空間有限的散 熱裝置。因此，根據本發明的一個方面，提供了光模塊設備，該光模塊設備包括至少一個發 射光的光源，其中所述光呈第一顏色；和設置為接收所述發射的光的像素化的光學元件。所 述像素化的光學元件包括第一組像素，用於將呈所述第一顏色的所述發射的光的一部分顏 色轉換成第二顏色；第二組像素，用於將呈所述第一顏色的所述發射的光的一部分顏色轉 換成第三顏色；和非轉換的、用於讓所述發射的光的一部分通過的第三組像素。所述第一、 第二和第三組像素每組包括至少一個像素。該設備進一步包括設置在所述像素化的光學元 件前面的可尋址的像素化的光學快門，用於調製從所述像素化的光學元件接收的光，產生 從所述設備輸出的光。因此，提供了光模塊設備，其中單色光源方便地被用於生成第二和第三顏色的光。本發明中的顏色轉換光學元件由兩組進行顏色轉換的像素和第三組非顏色轉換的像素構 成，這些組一起提供三種顏色的光。這光是空間分布的，使得設置在光學元件前面的可尋址 的像素化的光學快門方便地尋址所選擇的像素，從而分別以每個像素阻止或透射第一、第 二和第三顏色的光。這有利地降低了對不同(元)顏色的光源的需要，該不同顏色的光源 通常被用在針對投影/顯示彩色圖像的現有技術的光模塊設備中。根據如在權利要求2中定義的所述設備的實施方式，所述可尋址的像素化的光學 快門設置為通過順序透射從所述各組像素接收的光而調製光。提供順序透射第一、第二和第三顏色的光有益於象例如數字處理投影系統的顯示 應用。根據如在權利要求3中定義的所述設備的實施方式，螢光劑被布置在所述顏色轉 換光學元件的所述第一和第二組像素上。通過使用將所述第一顏色的光進行顏色轉換的熒 光劑可獲得大量的不同顏色。此外，使用螢光劑支持提供顏色轉換光學元件的小像素，這對 於高解析度的應用是有益的。根據如在權利要求4中定義的所述設備的可選的實施方式，所述設備進一步包括 至少一個發射第四顏色的光的第二光源。當在顏色轉換光學元件中實現大量的顏色時，和 當具有被不同波長的光激發的顏色轉換區域時，這是方便的。根據如在權利要求5中定義的所述設備的實施方式，所述設備進一步包括透鏡陣 列。優選地透鏡陣列直接與光學快門相連而設置並使從所述光學快門輸出的光被校準，這 是有益的。根據如在權利要求6中定義的所述設備的實施方式，所述設備進一步包括散熱 器。由於根據本發明的所述設備包括至少一個光源以產生單一顏色的光，且所述光在所述 設備內沿著共同的光學路徑被轉發，光源(如果有多個)被如此組裝使得單一的散熱器被 公用於散發來自光源的熱量，這又是節省空間的，從而實現了設備的緊湊設計。根據如在權利要求7中定義的所述設備的實施方式，所述可尋址的像素化的光學 快門是液晶單元器件。這是有利的，因為它提供了眾所周知的相對廉價和容易掌控的針對 光學快門的電光解決方案。根據如在權利要求8中定義的所述設備的實施方式，所述光源包括至少一個發光 二極體。因而，光模塊設備可以有一個或多個發光二極體LED作為光源，出於幾個原因這是 有利的。LED與例如UHP燈相比因其體積小、低功耗和使用壽命長而眾所周知。通過增加大 量的LED可獲得針對所述設備的所需的光強度。根據如在權利要求9中定義的所述設備的實施方式，所述像素化的光學元件包括 至少一組附加的像素，用於將呈所述第一顏色的所述發射的光的一部分顏色轉換成附加的 顏色。因此，提供了能從設備提供任何數量的所需的光的顏色的光模塊設備。根據如在權利要求10中定義的所述設備的實施方式，其中所述第一和第二顏色 是相同的顏色。根據本發明的實施方式提供如在權利要求11中定義的數字光處理器投影系統， 其包括如前面所述的光模塊設備，和數字微鏡器件。光模塊設置為在光路徑中提供顏色順 序化的光給所述數字微鏡器件。在投影系統中利用根據本發明的光模塊設備提供如上針對 光模塊設備所述的優勢。
根據如在權利要求12中定義的所述系統的實施方式，所述系統進一步包括布置 在所述光路徑上的反射鏡以將來自所述光模塊的所述顏色順序化的光朝所述數字微鏡器 件反射，這是有益的。根據如在權利要求13中定義的所述系統的實施方式，所述系統進一步包括透鏡 器件，用於投射彩色圖像，這是有利的。根據本發明的第二個方面，如在權利要求14中定義的，提供在包括數字微鏡器件 的數字光處理器投影儀中提供光的方法，所述方法包括_提供第一顏色的光，-通過照射像素化的光學元件，將呈所述第一顏色的所述光的部分顏色轉換成第 二顏色的光和第三顏色的光，所述像素化的光學元件包括針對所述第二和第三顏色的第一 和第二組顏色轉換子區域，其中所述像素化的光學元件進一步包括非轉換的子區域，用於 提供呈所述第一顏色的光的一部分，_將呈所述第一、第二和第三顏色的光的所述部分提供給可尋址的像素化的光學 快門，-用所述可尋址的像素化的光學快門光調製所述第一、第二和第三顏色的光的所 述部分，-將從所述可尋址的像素化的光學快門輸出的所述經調製的光提供給所述數字微 鏡器件。因此，提供了用於在包括微鏡器件的數字光處理器投影儀中提供光的方法，所述 方法在提供針對投影儀的全色投影時利用光源的單色光。根據如在權利要求15中定義的所述方法的實施方式，光調製所述第一、第二和第 三顏色的光的所述部分的所述步驟包括分別順序透射所述第一、第二和第三顏色的光。根據如在權利要求16中定義的所述方法的實施方式，螢光劑被布置在所述第一 和第二組顏色轉換子區域上。此外每個子區域包括至少一個像素。根據如在權利要求17中定義的所述方法的實施方式，將所述經調製的光提供給 所述數字微鏡器件的所述步驟包括校準所述經調製的光。本發明的其它目的、特徵和優勢將從下面詳細公開的內容、從附後的從屬權利要 求以及從附圖顯現。一般來說，權利要求中使用的所有術語應根據它們在技術領域的普通含義解釋， 除非本文另有明確定義。關於「不定冠詞『一』 /限定詞『所述』[元件、設備、組件、方法、步 驟等]」的所有引用將被解釋為是指元件、設備、組件、方法、步驟等的至少一個實例，除非另 有明確規定。本文所公開的任何方法的步驟不必依公開的確切的順序執行，除非明確規定。


以上所述的，以及本發明的其它目的、特徵和優勢，將通過本發明的優選的實施方 式的下面示意性的和非限制性的詳細說明並參照附圖更好地理解，相同的附圖標記將用於 類似的元件，其中圖1是根據本發明的光模塊設備的實施方式中光路徑的示意；圖2是根據本發明的光模塊設備的實施方式的截面圖3是根據本發明的實施方式的顏色轉換像素化的光學元件的示意；圖4是根據本發明的光模塊設備的實施方式的截面圖；圖5是根據本發明的數字光處理器投影系統的實施方式的截面圖；圖6是描述根據本發明的方法的實施方式的流程圖。
具體實施例方式根據本發明的第一實施方式，提供了光模塊設備，其在以下稱為「CLM」(緊湊光模 塊)。CLM的原理結構和光調製的示意在圖1中描述。CLM 100包括發射第一顏色Cl的光 的光源10 ；被設置為接收從光源10發出的光的像素化的光學元件20 ；和可尋址的像素化 的光學快門30，其在以下被稱作光學快門，並設置在像素化的光學元件20前面，從該光學 快門經光學快門30調製的光被從CLM 100輸出。像素化的光學元件20，以下稱為光學元件，包括帶顏色轉換功能的子區域以及非 轉換的子區域。具體而言，光學元件20有非轉換像素21，其中來自光源10的光通過該非 轉換像素；以及將第一顏色Cl的光顏色轉換成第二顏色C2的像素22和將第一顏色Cl的 光顏色轉換成第三顏色C3的像素。因此，當顏色Cl的光照射光學元件20，便提供了總共有 三種顏色Cl、C2和C3的空間分布的光源。在另一種實施方式中顏色Cl和C2是相同的顏色，這樣提供了有兩種顏色的空間 分布的光源。此外，光學快門30是以需要的方式尋址，以便有選擇性地調製從CLM 100輸出的 光。在圖1的示意中，來自像素21和22的光被阻止，結果只有顏色為C2的光從CLM 100輸出。參考圖2，CLM 100的實施方式包括多個光源10。這增強了第一顏色Cl的光的強 度，這相應地增強了從顏色轉換光學元件20輸出的光(即顏色Cl、C2和C3的光)及從光 學快門30輸出的光，因而增強了從CLM 100輸出的光。這在不改變CLM 100的孔徑的情況 下是可能的。光源10布置在基板55上。此外，設置塑形為被平行於其基底截斷的錐狀的 反射器50，使得它包圍光源10以反射從光源10側向發出的光並反射從光學元件20後向散 射的光。光學元件20布置在反射器50的基底上，基板55布置在反射器50的相對端。在 這種實施方式中光學快門30緊靠光學元件20。在另一種實施方式中，光學快門30和光學元件20是隔開的。波導、濾光片、光學 組件或材料可被設置在光學元件20和光學快門30之間。在CLM 100的一種實施方式中，光學快門30以液晶單元器件實現，即液晶快門。液 晶快門通常包括夾在交叉偏光板和玻璃或聚合物基板之間的液晶層，並進一步設置為有可 尋址的電極矩陣，即像素。液晶層以這樣一種方式被定向，使得針對每個像素可以實現光調 制的至少兩種狀態一種透射狀態和一種阻塞狀態。當像素被連接到電壓時這些狀態的一 種通常會發生，以及當沒有電壓(或者第二電壓)施加到像素時另一狀態發生。如本領域 技術人員知曉的，在市面上現有眾多的LC-快門變種，和利用替代性技術的也具有與光學 組件相同功能的相應的電光快門。這些構成了用於實現光學快門的合適的替代品，並被認 為落入本發明的精神和範圍，並不會在這裡進一步被討論。在CLM 100的該實施方式中，如上所述，光源10包括至少一個發光二極體LED。第一顏色Cl為藍色的光從現有技術的LED陣列發出。如在上面提及的，可以增加大量的光源 以便獲得從CLM 100輸出的光的所需的強度。光源10發光的顏色Cl優選是元色。這是直接由LED晶片產生的。在另一種實施 方式中Cl顏色的光間接地由使用光源10中的螢光轉換LED產生。光學元件20的示意性的例子示於圖3。光學元件20在這裡設置有3組像素，提供 顏色為藍色21、綠色22、和紅色23的光。在該例子中像素21至23的大小設置為具有比例 綠色紅色藍色=3 2 1。因此，提供綠光22的子區域大小是提供藍光21的子區域 的3倍，同時提供紅光23的子區域大小是提供藍光21的子區域的2倍。單個子區域的尺 寸、像素尺寸、形狀和在光學元件20上的分布優選是對每個應用優化了的。在接近光學元 件20邊緣的區域，由於從光源10發射的光的分布，入射光衰減，這可通過增大在這些區域 的所選擇的像素尺寸以從每個子區域獲得更多的光而得到補償。所提供的從CLM 100輸出的光的顏色Cl、C2和C3通常是不同的元色，比如紅色 (R)、綠(G)和藍色(B)的組合。如本領域技術人員共識的，其它顏色的組合和其它數量的 顏色有可能用該光模塊設備實現，因而落入本發明的精神和範圍內。在根據本發明的CLM 400的實施方式中，如圖4所示，現有技術的LED陣列410和 藍光LED陣列411用組裝在基板455上的管芯來設置，其中該LED陣列410的存在是為發射 能激活設置在CLM400中的光學元件420的顏色轉換區域的光。此外，散熱器460例如通過 焊接或粘合的方法連接到基板的反面。或者管芯可直接提供到散熱器460上。散熱器460 支持用於冷卻光源410的熱管理。散熱器460直接布置在CLM400的光源410的背後，所以 沒有必要設立昂貴的熱管構造以將熱從每個單獨的光源410傳遞到遠處的散熱器和風扇。此外，設置塑形為被平行於其基底截斷的錐狀的反射器450使得它包圍光源10。 光學元件420安裝在反射器450的基底上，使從光源410發出的光照射光學元件420。基板 455安裝在反射器450的另一端。在這種實施方式中，光學快門430緊靠光學元件420。光 學快門430在與光學元件420相反的一側被提供有透鏡陣列440，用於校準從光學快門430 輸出的光。光學元件420包括提供有紅色和綠色遠程螢光劑(remote phosphor)的子區域。 這些子區域分別對應於如前面所述的並如圖1和圖3所示的子區域22和23。所述子區域 以定義的顏色矩陣印製。當來自LED陣列410的光照射光學元件420時，所述光激活子區 域22和23的紅色和綠色遠程螢光劑，使得紅色和綠色的光從這些子區域重新發射出。此外，光學元件420被提供有透明窗口，該透明窗口對應於如前面所述並如圖1和 圖3所示的子區域21。由藍光LED陣列411發出的光的一部分透過這些窗口。由LED陣列 410發出的光的一部分也透過這些窗口。然而，這種光可被選擇為例如與LED陣列410有相 同的顏色，或者有不可見的波長。光學元件420從而提供紅色、綠色和藍色光。可尋址的像素化的光學快門430接收從光學元件420發出的並穿過光學元件420 的光。光學快門430設置為，通過針對每個像素位置和針對每一時刻或透射或阻止光學元 件420輸出的光，調製從CLM 400輸出的光。光學快門430由具有適當的投影機控制軟體 (未顯示)的控制器控制。如上所述，光學元件420提供紅色、綠色和藍色的光。當控制光學快門430使得在 同一時間透射多種顏色，顏色混合便實現了。
在CLM 400的一種實施方式中，光學快門430被尋址為比如順序地透射光學元件 420提供的每種單獨顏色的光。順序的模式可以採取不同的形態。通常，從CLM輸出的光可 以依據如下模式隨時間改變紅-綠—TlAr — ΠΤΓ.紅-綠—TlAr ΠΤΓ.-紅-綠-藍，或
紅—TlAr ΠΤΓ.-綠-紅—TlAr ΠΤΓ.-綠-紅—TlAr ΠΤΓ.-綠，或
紅—TlAr ΠΤΓ.-紅-綠-紅—TlAr ΠΤΓ.-紅-綠-紅-藍
率/時間和順序取決於當前的應用。光學快門430的最低切換時間將限制切換從設備輸出 的顏色的頻率。在可選的實施方式中，光學快門430被控制以提供不同的顏色混合，和/或提供針 對CLM 400的光輸出區域的單獨部分的單一顏色調製，所述光輸出區域即像素化光學快門 430的區域。在可選的實施方式中，CLM的光輸出區域被劃分以便提供針對紅光的一條光路 徑、針對綠光的一條光路徑和針對藍光的一條光路徑。針對每個顏色的光路徑在空間上是 分開的。在本發明可選的實施方式中，CLM 400進一步設置有透鏡陣列440，該透鏡陣列設 置為校準從光學快門430輸出的光。透鏡陣列440在這個示範性的例子中是粘合到光學快 門430上的透鏡引領的陣列箔。根據本發明的實施方式，CLM 400包括在數字光處理器投影系統500 (DLP)中。從 CLM 400輸出的光被直接投射到數字微鏡器件501，圖5a)。在另一種實施方式中，反射鏡 502布置在CLM 400的光路徑中以反射從CLM輸出的光到數字微鏡器件(DMD) 501，如圖5b) 所示。在根據本發明的CLM 400中，如現有技術中為光束塑形、顏色混合、及將三色光束導 向到反射鏡502(或者可選地DMD501)上所需要的所有額外的特徵，是沒有必要的，從而允 許投影系統500的緊湊設計。根據本發明的CLM 400的總厚度小於5毫米。CLM可縮成更小的DLP尺寸(0. 44 英寸)而不喪失功能，並可適用於手機應用。CLM 400在其它投影系統中也適用。在CLM可選的實施方式中，用任何適當的電光技術實現的光學快門430，被利用來 產生對CLM 400的輸出的局部調光。通過憑藉順序地尋址光學快門430局部調節光輸出， 便得到了像在傳統的液晶顯示器的背光中一樣的局部調光。當CLM 100被利用在根據本發 明的數字光處理器投影系統500時，此功能提高對比度，因而改善圖像質量。用於在包括數字微鏡器件的數字光處理器投影儀中提供光的方法的實施方式如 圖6所示。在圖框600提供第一顏色的光。該方法以將所述第一顏色的所述光的部分顏色 轉換成第二顏色的光和第三顏色的光作為繼續，圖框610。這是通過照射像素化的光學元件 實現的，其中所述光學元件包括針對第二和第三顏色的第一和第二組顏色轉換子區域。所 述像素化的光學元件進一步包括非轉換子區域，用於提供第一顏色的光的一部分。另外，在 圖框620，第一、第二和第三顏色的光的部分被提供給可尋址的像素化的光學快門。在圖框 630，所述光用可尋址的像素化的光學快門進行光調製，最後在圖框650，經調製的光被提供 給數字微鏡器件。在所述方法的可選的實施方式中，對在圖框610輸出的光進行光調製的步驟，即 當分別憑藉顏色轉換和透射提供了三種不同顏色的光時，包括分別順序透射第一、第二和 第三顏色的光。
在根據本發明的所述方法的實施方式中，提供經調製的光給數字微鏡器件的步驟 包括校準所述經調製的光，圖框640。在上面，根據如在所附的權利要求書所定義的本發明的設備和方法的實施方式已 被描述。這些僅應被視為是非限制的例子。如熟練技術人員應理解的，許多修改和替代性 的實施方式在本發明的範圍內是可能的。應該指出，為本申請的目的，特別是關於所附的權利要求，術語「包括」並不排除其 他元件或步驟，不定冠詞「一」不排除複數形式，這對本領域的技術人員本身將是顯而易見 的。
權利要求
一種光模塊設備，包括至少一個發射光的光源，其中所述光呈第一顏色；設置為接收所述發射的光的像素化的光學元件，所述像素化的光學元件包括第一組像素，用於將呈所述第一顏色的所述發射的光的一部分顏色轉換成第二顏色；第二組像素，用於將呈所述第一顏色的所述發射的光的一部分顏色轉換成第三顏色；和非轉換的、用於讓所述發射的光的一部分通過的第三組像素，所述第一、第二和第三組像素每組包括至少一個像素；以及設置在所述像素化的光學元件前面的可尋址的像素化的光學快門，用於調製從所述像素化的光學元件接收的光，產生從所述設備輸出的光。
2.根據權利要求1的光模塊設備，其中所述可尋址的像素化的光學快門設置為通過順 序透射從所述各組像素接收的光而調製光。
3.根據權利要求1或2的光模塊設備，其中螢光劑被布置在所述顏色轉換光學元件的 所述第一和第二組像素上。
4.根據權利要求1至3之任一的光模塊設備，進一步包括至少一個發射第四顏色的光 的第二光源。
5.根據前面的權利要求之任一的光模塊設備，進一步包括透鏡陣列。
6.根據前面的權利要求之任一的光模塊設備，進一步包括散熱器。
7.根據前面的權利要求之任一的包括光模塊的光模塊設備，其中所述可尋址的像素化 的光學快門是液晶單元器件。
8.根據前面的權利要求之任一的光模塊設備，其中所述光源包括至少一個發光二極體。
9.根據前面的權利要求之任一的光模塊設備，其中所述像素化的光學元件包括至少一 組附加的像素，用於將呈所述第一顏色的所述發射的光的一部分顏色轉換成附加的顏色。
10.根據前面的權利要求之任一的光模塊設備，其中所述第一和第二顏色是相同的顏色。
11.一種數字光處理器投影系統，包括根據權利要求1至10之任一的光模塊設備，和數 字微鏡器件，其中所述光模塊設備設置為在光路徑中提供顏色順序化的光給所述數字微鏡 器件。
12.根據權利要求11的數字光處理器投影系統，進一步包括布置在所述光路徑上的反 射鏡，用於將來自所述光模塊設備的所述顏色順序化的光朝所述數字微鏡器件反射。
13.根據權利要求12的數字光處理器投影系統，進一步包括透鏡器件，用於投射所述 彩色圖像。
14.一種在包括數字微鏡器件的數字光處理器投影儀中提供光的方法，所述方法包括_提供第一顏色的光；-通過照射像素化的光學元件，將呈所述第一顏色的所述光的部分顏色轉換成第二顏 色的光和第三顏色的光，所述像素化的光學元件包括針對所述第二和第三顏色的第一和第 二組顏色轉換子區域，其中所述像素化的光學元件進一步包括非轉換的子區域，用於提供 呈所述第一顏色的光的一部分；_將呈所述第一、第二和第三顏色的光的所述部分提供給可尋址的像素化的光學快門；-用所述可尋址的像素化的光學快門光調製所述第一、第二和第三顏色的光的所述部分；_將從所述可尋址的像素化的光學快門輸出的所述經調製的光提供給所述數字微鏡器件。
15.根據權利要求14的方法，其中光調製所述第一、第二和第三顏色的光的所述部分 的所述步驟包括分別順序透射所述第一、第二和第三顏色的光。
16.根據權利要求14或15的方法，其中螢光劑被布置在所述第一和第二組顏色轉換子 區域上，其中每個子區域包括至少一個像素。
17.根據權利要求14至16之任一的方法，其中將所述經調製的光提供給所述數字微鏡 器件的所述步驟包括校準所述經調製的光。
全文摘要
本發明涉及用於投影型顯示系統的照明系統，更具體地涉及光模塊設備，其包括發射第一顏色的光的光源，和設置為接收所述發射的光的像素化的光學元件。所述像素化的光學元件包括第一組像素，用於將呈所述第一顏色的所述發射的光的一部分顏色轉換成第二顏色；第二組像素，用於將呈所述第一顏色的所述發射的光的一部分顏色轉換成第三顏色；和非轉換的、用於讓所述發射的光的一部分通過的第三組像素。該設備進一步包括設置在所述像素化的光學元件前面的可尋址的像素化的光學快門，用於調製從所述像素化的光學元件接收的光，結果從所述設備輸出光，所輸出的光包括經可尋址的像素化的光學快門調製的三種顏色的光。
文檔編號H04N9/31GK101939996SQ200980104382
公開日2011年1月5日 申請日期2009年2月2日 優先權日2008年2月8日
發明者M·J·J·范德盧貝 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司