投影系统已经被用于将移动图像和静止图片投影到屏幕上来观看 很多年了。尤其最近，使用多媒体投影系统在实施销售演示、商业会 议和课堂教学中来展示已经变得流行起来。
在普通操作模式中，多媒体投影系统从个人计算机(“PC”)上接 收模拟视频信号。该视频信号可以展现由PC再现的类型的静止、部 分或者全部移动显示图像。该模拟视频信号在投影系统中典型地被转 换成数字视频信号，这些信号被电子设定并处理以控制一个例如液晶 显示器或者数字微镜装置(“DMD”)之类的图像形成装置。
普通类型的多媒体投影系统采用宽频谱光源和图像形成装置的上 行流和下行流的光通道组件用于将图像投影到显示屏上。基于DMD 的多媒体投影仪的一个例子是由聚焦系统公司(Focus Systems， Inc)，即本申请的受让人Wilsonville，Oregon有限公司制造的模型 LP420。
投入重大努力以发展产生高亮度、高质量、彩色图像的投影仪。 然而，传统投影仪的光性能经常不近人意。例如，获得合适的投影图 像亮度，尤其当在亮度好的房间里使用小型便携彩色投影仪时，是很 困难的。投影仪一般使用高亮度弧光灯作它们的光源，接着将除了蓝、 绿、红光之外的所有光滤除，并采用三个分离光通道或者采用一些形 式的顺序彩色调制器以协调彩色图像数据。
因为具有显著光衰减和三通道彩色光通道的LCD显示器重而大， 便携多媒体投影仪典型的采用单色光通道配置的DMD显示器。使用 这一配置产生一个投影的彩色图像典型的需要通过诸如彩色轮之类的 顺序彩色调制器来投影帧顺序图像。
图1显示了一种典型的现有技术中的帧顺序彩色(FSC)显示 系统10，其中传感器12传感定时标记14以检测发动机16的预定 的彩色标记位置，该发动机16分别旋转具有红、绿和蓝色滤波段R、 G和B的彩色轮18。光源20通过彩色轮18和中继透镜24将光波 束投影到例如基于LCD的光阀或者DMD之类的显示装置26。显 示控制器(未示出)驱动带有顺序的红、绿和蓝色图像数据的显示 装置26，上述数据分别通过彩色轮18的滤波段R、G和B来被安 排与光束22的传播相符合。一个DC发动机以大约6650转/分钟到 7500转/分钟的转速旋转彩色轮18。很明显，FSC显示系统的连续 操作取决于将红、绿和蓝色图像数据与彩色轮18的角度位置适当地 同步。
传感器12典型地采用光电或者机电旋转轴位置监测器或者电枢 位置检测器中任何一种装置且通常需要一些用于将定时标记14校准 到其中一个滤波器段的起始位置的装置。该校准典型地是用于解决在 发动机16和滤波段R、G和B的机械装置之间的角度差的一种代价 高且有误差倾向的机械校准。当然，和传感器12相关的电或者机械 延迟更将导致校准误差。
积累的角度误差使得出现了对于彩色轮18的角度位置的在红、 绿和蓝图像数据之间的同步误差的可能性，这种可能性将通过现有操 作工人在显示控制电子设备内建立定时任务循环来避免。定时任务循 环仅仅在当光束22通过每个相应的滤波段R、G和B传播的时间段 里，为驱动显示装置26提供红，绿和蓝图像数据以防止显示器件26 呈现不合适的颜色。不幸的是，定时任务循环降低可用于显示每个颜 色的亮度总量，因此，降低了合成的显示彩色图像的亮度。此外，彩 色轮18和它们相连的发动机沉重而有噪声。
因此需要一种消除对于彩色轮系统敏感的固有的任何机械、光和 电子旋转的定时误差的可替换技术。
发明概述
因此本发明的目的在于，提供一种在投影显示系统中使用LED 光源的装置和方法。
本发明采用发射例如想要的如原色的波长的例如LED或者二极 管激光器的光源，而不是以宽带光源开始发射并且滤掉不想要的波 长。本发明消除了彩色轮、彩色轮发动机或者光束分离器的需要。
此外，LED比HID灯提供更长寿命、更少热量散发，提供更好 原色、缺陷像素的冗余、用于更好颜色深度的彩色电子(加速)顺序、 和通过直接控制所产生的蓝、绿和红光的量动态地校准色温。
一种设计约束包括充分地将单个LED定位接近到有效地照亮当 前使用的小的显示图像的装置、一定的显示图像的装置或者其他的 敏感的系统组件，特别是并不出现产生LED热量的问题。一种解决 途径包括一起安装无遮蔽的LED硬模到热导体衬底上，例如更好热 导体铝质衬底并且使用光纤将光有效地传输到成像装置。每一个 LED，LED硬模或者LED阵列能够被耦合到单独的光纤上，他们 的末端能够形成适合于类似蝇眼的阵列的透镜表面的形状，并且光 纤能够接着被捆扎在一起形成一个小的簇，以至于LED阵列的表面 区域能够比用于热量管理的成像装置的表面区域更大，却看起来明 显的更小。该束光纤接着被耦合到一个积分光学管中以有效地混合 光和均匀地照亮成像装置。这种类型的LED-发光显示投影仪将提 供更轻的重量，更简单，更高亮度，和更廉价的多媒体投影系统。
本发明具有一个单通道的实施例中，由蓝色，绿色和红色的单色 LED或者LED阵列的发出的光通常地通过光纤传输，然后在一个光 学积分器内部混合起来。一个显示器控制器从诸如个人计算机一个图 像数据源接收图像数据并将这些数据转换成发送到一个通用显示装置 的颜色帧顺序数据。该控制器将数据与输送到LED电源的开/关信号 同步。因为同步是完全电子化的，帧顺序信息能够被比彩色轮系统所 实现的更快地和更加精确地循环。
本发明具有三通道的实施例中，由蓝色，绿色和红色的单色LED 或者LED阵列的发出的光通常分别地通过光纤沿着分离的光通道传 输，然后优选地通过一个光积分器使其实际上空间地均匀起来。一个 显示控制器从例如个人计算机的图像数据源接收图像数据并将数据转 换成发送到各自地分离的显示装置的颜色数据，显示控制器的输出耦 合到一个合并器。显示控制器同步分离的显示装置之间的数据以形成 一个合成图像。在本实施例中，所有的这三组LED能够被不间断的 使其处于导通状态。
附图的简要说明
图1是一个简单的图示图表示例了一个现有技术中采用一个具有 光电传感定时标记的彩色轮的FSC显示装置的操作原则。
图2是简单图示和一个多媒体投影仪的电子方框图表示了一个采 用一个符合本发明的一个实施例的LED光源的光通道。
图3是符合本发明实施例的一个通过一个盖板光学地连接到光纤 的LED阵列的光源正交投影部分方框图。
图4是一个在图3所示的LED阵列盖板的一个可替换的实施例 的俯视图。
图5A和5B是光学地将一个单个光纤连接到一个单独的平坦的 LED可替换的实施例的侧面正视图。
图6是一个通过具有一个聚光透镜的光纤光学耦合到一个光管积 分器的具有一个反射器的LED实施例的侧面正视图。
图7是一个通过一个光纤将具有一个反射器的LED光学耦合到 一个具有一个聚光透镜的光管积分器的实施例的侧面正视图。
图8是一个采用具有不同发射波长的多LED阵列分别通过多束 的光纤束连接到一个普遍的光管积分器的实施例的部分方案的侧面正 视图。
图9是一个采用多个具有不同发射波长的LED阵列分别通过多 束光纤束光学连接到一个分离的光管积分器的实施例部分示意性或计 划的侧面正视图。

附图2示例了一个一般的本发明的采用具有2种或更多不同波长 的多个相对单色光源32多媒体投影仪30的“单通道”实施例。光源 32优选的为LED或LED阵列并由电源34供电。
光源32发出的光通常沿着一个光通道36单独的和公共的部分传 输，该光通道包括光发射波导38。一个光积分器40，一个或更多光 通道透镜42，一个显示装置44，一个投影透镜组46和本领域的技术 人员所公知的其他可以变换的其他光学组件。
显示装置44优选的为一个DMD，但是也可替换的为半导体阵 列装置的反射液晶(“LCOS”)或一个LCD光阀。投影透镜组46 优选地包括一个固定的焦距长度透镜但也可包括一个变焦距或变焦 透镜。
这些光学组件优选地在一个机械刚硬和耗散热量的投影室(未示 出)内部通过一个镁压铸件的光学框架48(仅是显示了一部分)结合 起来。这些对于本领域的技术人员熟知的这些框架和室能够适合用来 容纳一个用做冷却这些光学组件的冷却风扇50并便于冷却空气流52。 电源34也能为电源冷却风扇50和显示控制器56供电。
包含一个微处理器的显示控制器56从多媒体装置58例如个人 计算机或一个视频装置，接收彩色图像数据并且处理图像数据以形 成帧顺序的红，绿，蓝的图像数据，帧顺序以与发送到电源34以用 做开启发射相应颜色的光源32的信号的适当的同步被送达显示装置 44。
当显示装置44为一个DMD时，显示控制器56控制一个高聚集 的位于显示装置44中的数字偏转镜阵列，以至于来自透镜42的光传 输被每一个阵列中的镜子可选择地反射，也可以向着投影透镜46或 向着位于上面的光吸收表面60或接近光学框架48。显示装置44的镜 朝向导通的方向，光反射后通过投影镜头46显示在一个屏幕上(未 示出)，显示装置44的镜朝向关闭的方向，发射后的光将被光吸收表 面60所吸收。
DMD44优选的为由正方形阵列的铝微型机械的镜构成的一个 Texas仪器公司的DMD1076型空间光调制器，每一个镜子都能够在一 定的角度，如±10度或者更大地绕对角轴单独偏转。镜子的偏转角度 (正向或反向)单独地由通过改变潜在的地址回路的存储器内容和镜 子复位信号来控制。
如果显示装置44是诸如一个能发光的液晶显示器(LCD)，光通 道36能够通过它来传输并且无任何弯曲地直通过透镜46。当在显示 装置44是一个可发光的LCD44时，来自光传送波导38的光是首先 被一个可形成LCD44的部分的偏光器所偏振以产生可以选择通过方 向的光。偏振光然后通过一个LCD44中的像素模式的信息被调制。 完全非激活的像素旋转偏振光90，并且完全激活的像素无旋转地通 过偏振光。调制光然后穿过一个阻挡完全激活像素的旋转光的前偏光 器(分析器)并通过一个完全非激活像素的非偏转光。该调制光，特 别是非激活像素的光，直接通过投影镜头46观看。
熟练的人员将意识到多种的LCD面板在市面上是可得到的，一 些使用不同的偏振方案能够在本发明中采用。如图2，LCD 44将是可 以反射的LCD并且图9中LCD 44将是可发光的LCD 44，例如由索 尼电子公司LCX017AL型的XGA-分辨率LCD。
图3展示了一个实施例，其中光源32包含多个位于一衬底74上 的多个LED 72的LED阵列70以及包括光纤76的光传输波导38。 参考图3，光纤76的末端通过位于盖板80上的孔78伸展并固定位置， 并与LED 72以一对一的关系成对。在本实施例中，LED 72和孔78 在行82和列84的位置对齐。
在一个实施例中，LED阵列70有一个大约16mm的长度62，大 约12mm的宽度64，大约1mm的高度66。在此实施例中，盖板80 有20mm的长度68，大约17mm的宽度69，大约10mm的高度104。 盖板80优选的由铝、镁和/或其他的散热材料构造。盖板80不仅能在 盖板80的顶部112和衬底74的表面114之间提供空间，也能够适合 于用来在LED阵列70的壁106和边108之间提供空间以便于空气流 通来冷却LED阵列70。
在一个实施例中，光纤76优选的包含长和细的大约0.75-1.5mm 直径的聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸脂的波导，该光纤具有氟化聚合物的 包层和表现出大约低于0.17dB/m的损耗。
在一个实施例中，光源32包括多个由大约200W供电的LED 阵列70，并且每一个以三个附加的原波长之一：蓝，绿，和红以大 约30-50％的效率发射。例如，蓝色LED 72能够是HPWL系列， 由Hewlett Packard(HP)制造，在波长范围为455-485nm内可发射 每瓦特4.1流明(lumens)。类似的，绿色LED 72能够是HPWL系 列，也由HP制造，在波长范围为515-545nm内可发射每瓦特11.6 流明；并且红色LED 72能够是HPWL系列，也由HP制造，在波长 范围为610-650nm内可发射每瓦特11流明。熟练的人员将意识到， 当更好的具有增长的效率的LED发展和优化时，将优选更高亮度的 LED。LED 72能够按照愿望为了便于热量的分散在空间上分开。熟 练的人员也将意识到LED阵列70可以包含一个激光二极管的侧面 发射棒。
其他的LED发射波长，例如黄，青，或白能够被附加地或可替 换地采用。尽管品红的LED当前并不存在，品红也能够根据红和蓝 LED 72的合并来制成。方便地，白能够被考虑用做单一的颜色或多 种颜色的组合。
在一个实施例中，LED阵列70连在光纤76的18上，该阵列集 中成一个或更多的可具有累积的不足56mm2输出区域的光束86。这 样，LED阵列70分别具有一个光纤束86输出区域更大区域的衬底表 面114，因此出射于束输出区域的光将比由LED阵列70的表面114 发射出的光具有更高强度(和更低热量)。
图4示出了一个具有孔78上的行82a和82b以及列84a和84b 偏移的盖板80a可选择的实施例。参照附图4中提供的优选的实施 例，在行82a和行82b中央到中央的距离88是2.8mm；在连续的 行82a和82a或者连续的行82b和行82b的中央到中央的距离90是 5.6mm；在列84a和84b中央到中央的距离92是1.5mm；并且在连 续的列84a和84a或者连续的列84b和84b之间中央到中央的距离 94是3.0mm。然而，熟练的人员将意识到，许多配置的LED阵列 70和各自的盖板80是可能的，并且LED阵列70能够有相同或不 同的发射波长的不同的配置。例如，蓝色或绿色LED阵列70b和70g 也可分别具有LED 72b和72g比组合在红色LED阵列70r中的红 色LED 72r更近地组合在一起。熟练的人员也将意识到单独的LED 阵列70能包含所有都发射相同波长或者具有行82、列84，或者不 同波长LED 72b，72g的集合，和/或如附图3中所示范的72r的LED。 熟练的人员将更加意识到发射亮度，热量分散特性，和制造成本也 可以在决定LED 72空间和大小和/或采用的LED阵列70的大小和 数量中发挥作用。
图5A和5B示例了光学地连接一个单通道光纤76到一个单独 的平坦表面LED72的实施例。参照图5A和5B，光纤76a或76b 能够以没有或除了盖板80而被采用。光纤76a具有凹的抛物线的末 端表面90a和抛物线的朝向侧壁92a的末端弯曲，当光纤76b具有 凹的球形的末端表面90b和相对平的角度的侧壁92a末端。在两个 实施例中，末端表面90a或90b的形状和/或涂层(通常的或整体的 末端表面90)和侧壁92a或92b(通常的或整体的侧壁92)末端的 形状和/或涂层可被修改或否则涂层易于在一个想要的传输的角度反 射来自于LED72发射的光到光纤74中。类似的，空间94a和94b 能够被用一个具有想要的折射率的光学凝胶体或粘合剂填充。熟练 的人员将意识到光纤76的平坦的末端表面90以或不以一个想要的 光学凝胶体或粘合剂可以直接地对接耦合到LED 72。熟练的人员也 将意识到光纤76能够侧面耦合到LED 72的行82或列84。熟练的 人员将更加意识到一个更大的光纤或光管能被以与那些上述所描述 的相似的方式适合于耦合到一个整个的LED阵列70而不是一个单 独的LED72。
图6示出了一个采用反射器100直接将由LED72(或LED阵 列70)发射的光集中到一个耦合到光纤76的聚光透镜102的实施 例，它将紧接着耦合到一个或更多的光积分器40或更大光管。光纤 76能够被牢固地用合适的光学粘合剂联结到光积分器40末端的输 入以减少在装配和运行过程中的脆弱导致的断裂或者能够被光积分 器40空间分离开来或者被安装以容纳不同的光积分器40的可选择 的运动。光积分器40用于均匀来自与许多LED 72或着LED阵列70 的光。光积分器40能够是一个伸长的管道类型和能够是由一个固体 玻璃棒组成，该棒依赖于完全的内部反射通过棒来传输光并且在其 输出的末端产生一个均匀的点亮域。光积分器40优选的包括划分为 方格子的平坦表面并且也能够包括一个敷层或可以保护内部反射的 反射镜侧壁。
光积分器40的输入和输出末端能有不同的正交截面大小和形成 易于收集或聚集想要的光的形状。例如，光积分器40的输出末端也 可以形成形状和/或形成到倾斜定位的图像装置44的最佳图像均匀光 的角度。一个这样的光积分器40包括一个矩形的输入末端和一个非 对称的在空间上将光会聚到空间上是均匀模式的出射管道孔径的非矩 形输出的光积分管道。均匀点亮出射非矩形的输出的孔径能够通过一 个中继的镜头重新形成图像到一个倾斜地安装于管道的纵向轴的反射 光阀。出射于非矩形输出孔径到一个光阀的图像能够被安排有意地失 真以补偿任意的梯形(Keystone)失真，点亮充满的区域，并且点亮 衰落的区域，因此可以防止光的损耗，增加亮度和穿过光阀的亮度均 匀性。熟练的人员将意识到数量多的光积分器的末端的输入和输出的 形状合并是可能的。
光积分器40优选的包含有一个3∶4比例的正交部分以提供一 个与SVGA和XGA分辨率相兼容的3/4显示格式。在一个实施例中， 光积分器40具有优选的16.3mm∶21.7mm的大小。然而光积分器40 可以包括例如9∶16比例正交部分(HDTV)或者5∶4比例正交 部分(SXGA)的其他的格式。而且，多个不同正交部分的积分器和相 关的收集和投影的光能够被安排用于在光通道36中可选择的运动以 提供想要的清晰的投影显示格式。
图7也示出了一个采用反射器100直接将由LED72(或LED阵 列70)发射的光集中到光纤76的实施例。通过多光纤76传输的光接 下来被一个大的耦合到一个光积分器40或一个更大光管的聚光器透 镜110收集。
参考图2-7，在一个实施例中，大约200或更多光纤束86的末端 输出耦合到一个光积分器40的输入末端。如果光度测定的正如上述 所要描述的蓝，绿和红LED阵列70，然后是接近45的蓝色LED 72， 105的绿色LED 72和50的红色LED 72的加权的强度(在最佳亮度 的白平衡)将被采用以产生2000流明的白光。熟练的人员将意识到 白平衡能够通过调制每一个激活的不同的颜色的LED阵列70的定时 量来实现或精密调谐。
图8示例了一个采用分别具有蓝，绿，和红发光波长的单色LED 阵列70b，70g和70r的单通道投影仪30的详细的实施例。来自每个相 似颜色LED72，LED阵列70或LED阵列70的簇的光纤76能被捆 扎成一个通用的光纤束86，接下来耦合到一个光积分器40。熟练的 人员将意识到不同通用颜色的光纤束86的簇能以相同或不同的角度 耦合到积分器40。熟练人员也将意识到每一光纤束86能可替换地适 用于包括收集来自不同颜色LED 72的一根或多根光纤76。这些光纤 束将根据愿望能更好地均匀在光积分器40的进口和出口处的每一光 波长的聚集的强度。再次参考图1和8，其中，不同颜色的光在单通 道系统中传输到或通过一个显示装置44之前聚集到一个通用的光积 分器，显示控制器56以帧顺序的方式将相似颜色LED 72的簇的开启 和关闭与来自个人计算机58的彩色图像数据同步。该LED点亮的单 通道投影仪30提供一个重量轻、简单、明亮和廉价的多媒体投影系 统。
正如上面参考图3所讨论的，可采用不同颜色的LED选择。此 外，来自另外的LED阵列或其他例如HID或弧光灯的白色源的白光 能够在一个分离的颜色定时帧或可选择地填加到采用其他颜色的帧中 被采用。可选择地或除此以外，LED阵列70b和70r能够被同时采用 以产生一个白色定时帧。
图9示例了一个采用发射光分别沿着单独的光通道36b，36g和36r 传输的单色LED阵列70b，70g和70r并且包括分别通过光纤束86b，86g 和86r以及分别通过优选的为LCD的显示装置44b，44g和44r分别传 输到分离的光管积分器40的一个三通道投影仪120实施例。发射一 个合成图像到透镜42和46的光通道36b，36g和36r在一个光合并 器122处相汇。
本实施例的一个优点是LED阵列70b，70g和70r能够连续地工 作而不需要颜色帧同步。相反地，显示控制器56同步提供到彼此有 适当的朝向的显示装置44b，44g和44r和合并器122以产生合成图像 的指令。这样的一个图像能大概比其中每一种颜色由仅仅每一图像帧 的定时的1/3来投影的单通道的实施例高出50％的亮度。另外的一个 优点是不同类型的LCD比其他的LCD更易于传输一些颜色或提供更 好的颜色输出。不必限制选择单个的适度地很好地执行所有三种颜色 的LCD将是最好的优点。
正如上面所讨论的，可以采用不同的LED颜色的选择。此外， 来自另外的LED阵列或其他例如HID或弧光灯的白色光源的白色光 能够输入，例如，到一个合并器122第4侧面以增强亮度，并能够在 有或没有显示装置44的情况下实施。
熟练的工员将认识到本发明的部分也可以以不同于上面描述的优 选实施例的实施方法来实施。例如，熟练的人员将意识到大量的这里 描述的不同的LED72，阵列70，光纤76，光纤束86，反射器100， 聚光器102和积分器40耦合的方案能既可在本发明的单通道又可在 本发明的三通道的投影系统中被实施。另外，本发明适合用于在许多 的不同的折叠的光通道，单独波长光源和可选择的显示装置，显示控 制器以及FSC数据格式中使用。
熟练的工员将更加认识到，许多可能的对上述描述的本发明实 施例细节上的改变都没有偏离属于本发明根本的原则。相应地，人 们也将意识到本发明除了在多媒体投影仪中采用以外，也采用到颜 色同步的应用中。为此，本发明的范围将仅由下述的权利要求来限 定。