专利名称：液晶显示应用的光源阵列的利记博彩app
在投影显示器中已经应用了液晶(LC)技术，用于投影电视、计算机监视器、销售点显示器、和电子影院以提出几种应用。
在液晶显示(LCD)设备中，光源向液晶板发射光，选择性地改变光的偏振以便在屏幕上产生明亮和黑暗的图像。通常，液晶材料是在硅的电子电路上制造的，硅的电子电路是液晶材料调制的基础。这些液晶板通常称之为硅上液晶(LCOS)板。
许多已知的液晶显示器都包括超高压(UHP)灯作为光源。这些光源提供的光束具有相当均匀的强度，这是人们期望的。为此，如果光不均匀，最终的图像通常发生亮度畸变，或者具有很差的分辨率，或者两者都发生。照这样，在满足这个要求方面，超高压灯已经是很令人满意的。
然而，对于使用超高压灯来说，还存在一些缺点，因此需要寻找其它类型的光源以便用在液晶显示应用中。例如，通常使用的超高压灯在操作期间变为过热，因此需要冷却机构。这个冷却机构以及超高压灯的整个尺寸增加了液晶显示设备的尺寸，并且增加了它的复杂性。而且，使用超高压灯可能导致发出的光的损耗。进而，超高压灯通常要发出紫外(UV)光，紫外光使液晶材料的性能随时间下降。还有，固态发射体如发光二极管(LED)的寿命可能明显长于当前的超高压灯。
鉴于使用超高压灯作为液晶显示设备的光源的至少上述缺点，已经研究了其它的光源，在已知结构中获得了混合的成功。超高压灯的一个可替换光源就是发光二极管(LED)阵列。发光二极管的优点是它不会遭遇超高压设备的过热缺点，并且，为液晶显示应用提供必要的光强度的足够大数目的发光二极管阵列的尺寸肯定小于超高压灯的尺寸。
然而，提供发光二极管阵列仍然存在挑战，发光二极管在组合时的输出具有一个对于液晶显示应用来说足够大的聚光本领(etendue)。而且，从发光二极管阵列提供均匀光源也是一种挑战。
因此，人们所需要的是用于液晶显示应用的一种光源，它至少能克服已知设备的这些缺点。
按照一个典型实施例，一个光源包括多个发光器件，每个发光器件都输出通过第一聚焦结构准直的光。准直的光输入到第二聚焦结构，第二聚焦结构将来自发光器件的光聚焦成基本上均匀的单个光束。
从下面结合附图阅读详细描述，可以深入地理解本发明。要强调的是，各个特征不一定是按照比例画出的。事实上，可以任意地增大或缩小尺寸以使讨论清楚。
图1是按照典型实施例的光源和光学部件的透视图；图2a是按照典型实施例的沿着取向的x轴的一个透镜元件；图2b是按照典型实施例的沿着取向的y轴的一个透镜元件。
具体实施例方式
在下面的详细描述中，为了进行说明而不是进行限制，提出公开了特定细节的典型实施例，以便彻底理解本发明。然而，对于已经享用本发明公开内容的利益的本领域的普通技术人员来说，本发明还可以用不同于这里公开的特定细节的其它的实施例实施本发明。而且，可以省略对于众所周知的设备、方法、和材料的描述，以便不会妨碍对于本发明的描述。
按照典型实施例，在液晶板上使光源阵列的组合输出成像，在液晶板的表面上产生基本上均匀的图像。而且，在液晶板表面上光的宽高比基本上与光源阵列的宽高比相同。光源阵列各个元件的组合的聚光本领(etendue)与液晶显示系统所需的聚光本领(etendue)相同。
对于典型实施例的光学元件进行选择，以便可以按照这里描述方式在液晶板上提供光源阵列的图像。为完成期望功能所选的光学元件可以是几何透镜元件、全息光学元件(HOE)、或者其它合适的元件，例如在本领域的普通技术人员的范围内的分级折射率(GRIN)透镜元件。而且，可以使用这些元件的组合。进而，说明性地，光源是发光二极管(LED)，例如半导体发光二极管。当然，这只是说明性的，并且，和各个实施例一起也可以使用其它光源。而且，这些元件也在光学领域内普通技术人员的知识范围内。
图1表示按照典型实施例的一个光学系统100。这个光学系统通常包括在一个液晶显示设备中。然而，光学系统用于投影显示系统、直观液晶显示系统、电视系统、或者计算机监视器以提出几个应用。要说明的是，通常包括在液晶显示设备的光学系统中的某些液晶显示设备的元件并没有包括在图1中，以不妨碍对于典型实施例的描述。例如，这些元件包括偏振光束分光器和延时器。光学系统100包括一个发光元件阵列101，它通常在单个芯片102上。元件101示例性的是发光二极管，它们不发射光谱的紫外或红外部分的光。这就可以减小液晶显示设备的长期损伤，并且可以减小液晶显示设备的总体加热。而且，与已知的超高压灯相比，发光二极管的效率不再需要大的电源，进一步增大了典型实施例与已知结构相比的优点。
每个发光二极管101的输出都入射到光学元件103的相应的一个阵列上。说明性地，光学元件103是准直透镜元件，用于准直发光二极管101的发散输出，如图所示。多个准直光束105入射到另外的透镜元件104上。这个透镜元件将每个光束105聚焦到液晶板106上，说明性地，液晶板106是液晶显示设备的硅上液晶(LCOS)板。
如以上所述，在液晶板106的表面上提供基本上均匀的输出是有用的。然而，各个发光二极管略微有些不均匀。而且，通常期望在这个表面上要有一个可以接受的亮度水平。按照典型实施例，每个这样的期望特征都是容易实现的。
在图1结构的典型实施例中，入射在液晶显示器上的光基本上是均匀的。这可以通过各种不同的技术来实现。为基本上消除各个发光二极管101的微小结构以便在液晶板106的入射表面上产生均匀光束的一种这样的技术可以通过使透镜元件103相对于它们的对应发光二极管101略微有些对不齐(偏斜)来实现。例如，通过在图1所示的±x和/或±y方向移动透镜元件，可以使透镜元件101的输出产生多个发光二极管101中的每个发光二极管的输出的期望叠加量。在液晶板106的入射表面可复制这个叠加，产生基本上均匀的光，从而基本上消除了每个发光二极管101的微小结构。
在另一个典型实施例中，通过彼此相对地转动透镜元件101可以实现发光二极管阵列101的偏斜。例如，芯片102的每个发光二极管101可以围绕所示的坐标矢量的z轴略微转动一点。这还将提供各个光源输出的一定程度的重叠，并且在液晶板106的表面上产生基本上均匀的光输出。任何偏斜或者转动，只要足够大，就将减小亮度，因为它增加了在液晶板上的光斑(patch)并且光在板的边缘有损耗。假定亮度损耗约10％的限制值将要导致小于5度的转动。各个发光二极管沿±x和/或y方向的典型的移动应该小于源尺寸的10％。沿光轴的典型移动(在图1的典型实施例的z方向)取决于准直器直径与准直器引导(collimator-led)的距离之比，在这里，这个比例的变化不应大于约5％。
最后，通过稍加平动(在z方向)透镜元件103和/或透镜104，可以实现液晶板106表面上输出均匀的光。这一平动将透镜104的焦点移动到液晶设备表面之前或之后的一个位置，使发光二极管的图像产生期望的散焦，最终使输出的光很均匀。而且，要注意的是，透镜中任何球面像差和球面像差的畸变也对光的均匀性有所贡献。
典型实施例是针对光源101的不变的宽高比画出的，在讨论这个典型实施例之前，要说明的是，除了代替图1中所示的正几何透镜的其它类型元件之外，各种不同的透镜元件还可以集成一个元件或者多个元件。例如，透镜元件103可以由一个合适的透镜元件代替，而单个元件104可以由多个透镜元件代替。而且，可以根据需要实施在所说的表面上实现光的均匀性所需的附加元件。
按照典型实施例，发光二极管阵列101的发光表面的宽高比与液晶板106的宽高比基本上相同。这将可以保证基本上照亮液晶板的整个表面。再加上在液晶板上光的均匀性，这将提供明显的优点在液晶显示设备中是特别有益的。
要说明的是，结合图1的典型实施例描述的光学系统在许多情况下使各个发光二极管101阵列的较小的照明区成为在透镜元件104的输出端的较大的发光区，并且具有正确的宽高比，从而基本上照亮了晶板的表面。然而，如果在一个指定的液晶显示设备中这是不可实现的，就必须包括其它的光学元件来实现匹配。为此，在发光二极管阵列是专用的情况下，可以使各个源的宽高比与液晶板的宽高比匹配。但在使用“现成的发光二极管阵列”或者将单个发光二极管放在一起形成一个阵列的情况下，各个源的宽高比可以与液晶板的宽高比不同。
提供期望的宽高比的一种方法是使用可伸缩(telescoping)光学装置。在图2a和2b中表示可伸缩光学元件的一个典型实施例。在图1的说明性光学系统中可以使用光学元件201，光学元件201设置在准直器阵列103和透镜元件104之间。这个光学元件具有在x和y方向不同的角度放大系数(分别示于图2a和2b中)，从而可以跟踪图像的宽高比，以便匹配液晶板的宽高比。为了进行说明，在x方向(图2a)的放大系数为1，则在y方向的放大系数就是某个因子M，从而在液晶板表面上可产生一个期望的宽高比。在典型实施例中，这个光学元件是圆柱形透镜的组合，M等于液晶板的宽高比，每个单个光源的有效区域是正方形。要说明的是，光学元件201是伽利略型系统，这是在光学领域中的普通技术人员众所周知的。按照另一种方式，光学元件可以是开普勒型光学系统。还可以使用其它类型的可伸缩光学系统。例如，可以使用已知的卡塞格伦型折叠式反射系统。
众所周知，液晶显示设备的对比度取决于在液晶板上光的入射角度。有益地，在液晶板上光的入射强度是相同的，与入射角无关。伸缩性阵列的使用或者可能导致液晶板上入射光的总强度的下降，或者可能导致与液晶板上入射角度有关的不均匀强度分布。
在图2a和2b中所示的典型实施例中，从光源一侧202入射光，并且光入射在液晶板203一侧，在液晶板203一侧的光强度在所有的入射角度都是均匀一致的。然而，这是以牺牲损失的光(亮度)为代价的。相反，如果在图2a和2b中光源一侧和液晶板一侧交换位置，则可以保持亮度不变，但要牺牲与入射角有关的强度的均匀性。
在图2a和2b的伸缩性光学装置的典型实施例中，通过安排光源(如阵列101)以使光源之间的距离(在x，y方向)的距离比与宽高比基本上一致，就可以保持强度的均匀性，而与入射角度无关。结果，在源202一侧，从透镜阵列(如透镜103)耦合进不同的光束直径，这导致光(亮度)的损失。
除了至今描述的典型实施例以外，通过选择元件并且以各种不同的方式安排这些元件，可以实现其他的实施例。例如，在一般情况下，光学系统100包括光源阵列、用于准直的透镜阵列、和使得从阵列到光源的光在液晶板上成像的一个透镜。而且，还可以包括伸缩性光学部件。然而，除了以上引用的元件外，还可以使用其它的元件，这样的一些变化将导致另外的实施例。
为了进行说明，要注意的是，光源阵列(例如发光二极管101)可以用特性类似的集成光源代替。而且，准直透镜阵列(例如透镜元件103)可以用执行准直功能的集成透镜元件代替。进而，可以实现上述元件与作为菲涅耳结构叠加在新阵列上的成像透镜(如透镜元件104)的组合以执行期望的功能。最后，要说明的是，可以使用集成的光学装置来实现所述的结构。
由于已经通过对于典型实施例的讨论详细描述了典型实施例，本发明的改进形式对于已经享用本发明的公开内容的利益的本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。这样一些改进和变化都包括在所附的权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种用于液晶显示器的光源，包括多个发光器件，每个发光器件都输出通过第一聚焦结构准直的光，其中，准直的光输入到第二聚焦结构，第二聚焦结构将来自发光器件的光聚焦成基本上均匀的单个光束。
2.根据权利要求1所述的光源，其中光源包括可伸缩性的光学元件。
3.根据权利要求1所述的光源，其中来自第二聚焦结构的光入射到液晶板上。
4.根据权利要求3所述的光源，其中入射到液晶板上的光具有基本上相同的强度，与入射角度无关。
5.一种投影显示系统，包括一个光源，所说光源包括多个发光器件，每个发光器件都输出通过第一聚焦结构准直的光，其中，准直的光输入到第二聚焦结构，第二聚焦结构将来自发光器件的光聚焦成基本上均匀的单个光束。
6.根据权利要求5所述的投影显示系统，其中光源包括可伸缩性的光学元件。
7.根据权利要求5所述的投影显示系统，其中来自第二聚焦结构的光入射到液晶板上。
8.根据权利要求7所述的投影显示系统，其中入射到液晶板上的光具有基本上相同的强度，与入射角度无关。
9.一种直观液晶显示系统，包括一个光源，所说光源包括多个发光器件，每个发光器件都输出通过第一聚焦结构准直的光，其中，准直的光输入到第二聚焦结构，第二聚焦结构将来自发光器件的光聚焦成基本上均匀的单个光束。
10.根据权利要求9所述的直观液晶显示系统，其中光源包括可伸缩性的光学元件。
11.根据权利要求9所述的直观液晶显示系统，其中来自第二聚焦结构的光入射到液晶板上。
12.根据权利要求9所述的直观液晶显示系统，其中入射到液晶板上的光具有基本上相同的强度，与入射角度无关。
全文摘要
一种光源(100)，包括多个发光器件(101)，每个发光器件都输出通过第一聚焦结构(103)准直的光。准直的光输入到第二聚焦结构(104)，第二聚焦结构将来自发光器件的光聚焦成基本上均匀的单个光束。所说光源可用于液晶显示器、投影系统、电视系统、或计算机监视器以提出几种应用。
文档编号G02F1/13357GK1860406SQ200480028295
公开日2006年11月8日 申请日期2004年9月27日 优先权日2003年9月30日
发明者R·J·赫曼, J·M·A·范登埃伦比姆德 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司