DE60102672T2

DE60102672T2 - Projektionsanzeigeverfahren unter verwendung von leds als lichtquellen und eine dies nutzende vorrichtung

Info

Publication number: DE60102672T2
Application number: DE60102672T
Authority: DE
Inventors: Fred Parker; Mark Peterson
Original assignee: Infocus Corp
Current assignee: Straight Signals Las Vegas Nev Us LLC
Priority date: 2000-02-18
Filing date: 2001-02-01
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2021-02-02
Also published as: KR100709500B1; JP2003523531A; ATE264037T1; EP1258148B1; WO2001062012A1; AU2001233273A1; US6224216B1; EP1389018A3; EP1258148A1; EP1389018A2; CN1404699A; KR20020082850A; CN1206865C; DE60102672D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Bildprojektionsanzeigegeräte und insbesondere eine in einem Strahlengang derartiger Anzeigegeräte verwendete LED-Lichtquelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Projektionssysteme sind seit vielen Jahren zum Projizieren von Filmen und Standbildern auf Schirme zur Betrachtung verwendet worden. Vor kurzem sind Präsentationen, die Multimediaprojektionssysteme verwenden, zur Durchführung von Verkaufsveranstaltungen, Geschäftstreffen und Schulungsanweisungen beliebt geworden.
In einem üblichem Betriebsmodus empfangen Multimediaprojektionssysteme analoge Videosignale von einem Personalcomputer ("PC"). Die Videosignale können Stand-, Teil- oder Bewegtanzeigebilder von einem vom PC erstellten Typ darstellen. Die analogen Videosignale werden typischerweise im Projektionssystem in digitale Videosignale umgewandelt, und die Signale werden elektronisch aufbereitet und verarbeitet, um ein bilderzeugendes Gerät, wie zum Beispiel eine Flüssigkristallanzeige ("LCD") oder ein Digital Micromirror Device ("DMD"), zu steuern.
Ein beliebter Multimediaprojektionssystemtyp verwendet eine Lichtquelle mit breitem Spektrum und Strahlengangkomponenten stromaufwärts und stromabwärts vom bilderzeugenden Gerät zum Projizieren des Bildes auf einen Anzeigeschirm. Ein Beispiel eines DMD-basierten Multimediaprojektors stellt das von In Focus Systems, Inc., in Wilsonville, Oregon, Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung, hergestellte Modell LP420 dar.
Es sind wesentliche Anstrengungen in die Entwicklung von Projektoren investiert worden, die helle, hochqualitative Farbbilder erzeugen. Die optische Leistung herkömmlicher Projektoren ist jedoch häufig weniger zufriedenstellend. Zum Beispiel ist eine geeignete Projektionsbildhelligkeit schwierig zu erzielen, speziell bei Verwendung von kompakten tragbaren Farbprojektoren in einem gut beleuchteten Raum. Die Projektoren verwenden typischerweise Bogenlampen mit hoher Intensität als deren Lichtquelle und filtern dann mit Ausnahme von blauem, grünem und rotem Licht das gesamte Licht heraus und verwenden drei separate Lichtwege oder irgendwelche Formen von sequentiellen Farbmodulatoren zum Koordinieren von Farbbilddaten.
Da LCD-Anzeigen eine wesentliche Lichtdämpfung aufweisen und Dreifachstrahlengang-Farblichtwege schwer und voluminös sind, verwenden tragbare Multimediaprojektoren typischerweise DMD-Anzeigen in einer Konfiguration mit einem einzigen Lichtweg. Die Erzeugung eines projizierten Farbbildes mit dieser Konfiguration erfordert typischerweise ein Projizieren eines Rahmensequenzbildes durch einen sequentiellen Farbmodulator, wie zum Beispiel eine Farbscheibe.
1 zeigt ein typisches bekanntes Rahmensequenzfarbe(Frame Sequence Color (FSC))-Anzeigesystem 10, in dem ein Sensor 12 eine Zeitmarke 14 liest, um eine vorab festgelegte Farbindexposition eines Motors 16 zu detektieren, der eine Farbscheibe 18 mit jeweiligen roten, grünen und blauen Filtersegmenten R, G und B aufweist. Eine Lichtquelle 20 projiziert einen Lichtstrahl 22 durch die Farbscheibe 18 und eine Übertragungslinse 24 auf eine Anzeigeeinrichtung 26, wie zum Beispiel ein LCD-basiertes Lichtsteuereinrichtungssystem oder ein DMD. Eine Anzeigesteuereinrichtung (nicht gezeigt) steuert die Anzeigeeinrichtung 26 mit sequentiellen roten, grünen und blauen Bilddaten an, die zeitlich festgelegt sind, um mit der Ausbreitung des Lichtstrahls 22 durch die jeweiligen Filtersegmente R, G und B der Farbscheibe 18 zusammenzufallen. Ein DC-Motor dreht die Farbscheibe 18 mit ungefähr 6.650 U/min bis ungefähr 7.500 U/min. Verständlicherweise hängt der erfolgreiche Betrieb eines FSC-Anzeigesystems vom richtigen Synchronisieren der roten, grünen und blauen Bilddaten mit der Winkelposition der Farbscheibe 18 ab.
Der Sensor 12 verwendet typischerweise irgendeinen von optoelektrischen oder elektromechanischen Wellenpositions- beziehungsweise Motorankerdetektoren und erfordert gewöhnlich irgendein Mittel zum Einstellen der Zeitmarke 14 auf den Start eines der Filtersegmente. Diese Einstellung ist typischerweise eine teuere und fehleranfällige mechanische Einstellung, die Winkelunterschieden zwischen Motor 16 und der mechanischen Befestigung von Filtersegmenten R, G und B Rechnung trägt. Selbstverständlich tragen mit dem Sensor 12 verbundene elektrische beziehungsweise mechanische Verzögerungen außerdem zu Ausrichtfehlern bei.
Die akkumulierten Winkelfehler eröffnen die Möglichkeit von Synchronisationsfehlern zwischen den roten, grünen und blauen Bilddaten mit der Winkelposition der Farbscheibe 18, eine Möglichkeit, die frühere Arbeiter durch Einbau einer Zeitaussteuereinrichtung in die Anzeigesteuerelektronik vermieden. Die Zeitaussteuereinrichtung sorgt für die Ansteuerung der Anzeigeeinrichtung 26 mit den roten, grünen und blauen Bilddaten für nur einen Teil der Zeit, wenn sich der Lichtstrahl 22 durch jedes von jeweiligen Filtersegmenten R, G und B ausbreitet, um zu verhindern, daß die Anzeigeeinrichtung 26 mit einer falschen Farbe anzeigt. Leider reduziert die Zeitaussteuereinrichtung die zum Anzeigen jeder Farbe verfügbare gesamte Beleuchtungsmenge und reduziert sie somit die Helligkeit des resultierenden angezeigten Farbbildes. Zusätzlich sind die Farbscheiben 18 und deren zugehörigen Motoren schwer und laut.
Es wird somit eine alternative Technik gewünscht, die irgendwelche mechanischen, optischen und elektrischen Drehzeitfehler, die Farbscheibensystemen innewohnen, im wesentlichen beseitigt.
Dokument D1, "Liquid Crystal Display Three Panel Protector Using Three Primary Colors Light Emitting Diode Light Sources" IBM Technical Disclosure Bulletin, US, IBM Corp., New York, Band 40, Nr. 4, 1. April 1997 (1997-0401), Seiten 201–205, XP000728313 ISSN; 0018-8689, offenbart einen Anzeigeprojektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Ein Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung einer LED-Lichtquelle in einem Projektionsanzeigesystem bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung, die in ihren breitesten Aspekten in Ansprüchen 1 und 6 definiert ist, verwendet Lichtquellen, wie zum Beispiel LEDs oder Diodenlaser, die gewünschte Wellenlängen, wie zum Beispiel die Grundfarben, emittieren, statt mit einer Breitbandlichtquelle zu beginnen und die nicht erwünschten Wellenlängen herauszufiltern. Die Erfindung beseitigt das Bedürfnis an Farbscheiben, Farbscheibenmotoren oder Strahlteilern.
Zusätzlich bieten LEDs längere Lebenszeiten, geringere thermische Emission als HID-Lampen, bessere Grundfarben, Redundanz für ausgefallene Pixels, elektronisches (schnelleres) Sequentialisieren der Farben für bessere Farbtiefe und dynamische Einstellung der Farbtemperatur durch direkte Steuerung der Menge von erzeugtem blauem, grünem und rotem Licht.
Eine Bauformbedingung bringt das Positionieren der einzelnen LEDs ausreichend dicht beieinander mit sich, um die gegenwärtig verwendeten kleinen Abbildungseinrichtungen effizient zu beleuchten, insbesondere ohne Schaffung von thermischen Problemen für die LEDs, bestimmte Abbildungseinrichtungen oder andere sensitive Systemkomponenten. Eine Lösung umfaßt das Montieren von blanken LED-Chips gemeinsam auf einem wärmeleitfähigen Substrat, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, für eine bessere Wärmeleitung und Verwendung von optischen Fasern zum effizienten Leiten des Lichts zur Abbildungseinrichung. Jede LED, jeder LED-Chip oder jede LED-Anordnung kann mit separaten optischen Fasern gekoppelt werden, die Enden aufweisen könnten, die zu einer Linsenoberfläche ausgebildet sind, die einer "Fliegenaugen"-Anordnung ähnelt, und die Fasern können danach gemeinsam in einer kleinen Gruppe gebündelt werden, so daß das Flächengebiet der Anordnung von LEDs viel größer als dasjenige der Abbildungseinrichtung für das Wärmemanagement sein kann, aber effektiv kleiner zu sein scheint. Das Bündel von optischen Fasern kann danach in einen integrierenden Lichtleiter gekoppelt werden, um das Licht effektiv zu mischen und die Abbildungseinrichtung gleichmäßig zu beleuchten. LED-beleuchtete Anzeigeprojektoren von diesem Typ würden ein leichteres, einfacheres, helleres und kostengünstigeres Multimediaprojektionssystem liefern.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Einzelstrahlengang wird das von den blauen, grünen und roten im allgemeinen monochromatischen LEDs oder LED-Anordnungen emittierte Licht durch optische Fasern übertragen und danach in einem optischen Integrator gemischt. Eine Anzeigesteuereinrichtung empfängt Bilddaten von einer Bilddatenquelle, wie zum Beispiel einem Personalcomputer, und wandelt die Daten in Farbrahmensequenzdaten um, die an eine übliche Anzeigeeinrichtung abgegeben werden. Die Steuereinrichtung synchronisiert die Daten mit EIN/AUS-Signalen, die zur LED-Stromversorgung übermittelt werden. Da die Synchronisation vollkommen elektronisch ist, kann die Rahmensequenzinformation viel schneller und genauer, als dies mit einem Farbscheibensystem durchgeführt werden kann, getaktet werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Dreifachstrahlengang wird das von den blauen, grünen und roten im allgemeinen monochromatischen LEDs oder LED-Anordnungen emittierte Licht entlang separater jeweiliger Strahlengänge durch optische Fasern übertragen und danach durch einen optischen Integrator im wesentlichen räumlich gleichförmig gemacht. Eine Anzeigesteuereinrichtung empfängt Bilddaten von einer Bilddatenquelle, wie zum Beispiel einem Personalcomputer, und wandelt die Bilddaten in Farbdaten um, die an jeweilige separate Anzeigeeinrichtungen abgegeben werden, deren Ausgang in einen Kombinator gekoppelt ist. Die Anzeigesteuereinrichtung synchronisiert die Daten zwischen den separaten Anzeigeeinrichtungen zur Bildung eines zusammengesetzten Bildes. In dieser Ausführungsform können alle drei Gruppen von LEDs kontinuierlich EIN bleiben.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform derselben ersichtlich werden, die mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein vereinfachtes bildliches Diagramm, das das Arbeitsprinzip einer bekannten FSC-Anzeigeeinrichtung zeigt, die eine Farbscheibe mit einer optoelektrisch gelesenen Zeitmarke aufweist.
2 zeigt ein vereinfachtes bildliches und elektrisches Blockdiagramm eines Multimediaprojektors, das einen Lichtweg, der eine LED-Lichtquelle verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 zeigt eine teilweise auseinandergezogene orthographische Projektion einer Lichtquelle mit LED-Anordnung, die mit optischen Fasern durch eine Abdeckplatte optisch verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform der in 3 gezeigten LED-Anordnungs-Abdeckplatte.
5A und 5B zeigen Seitenansichten von alternativen Ausführungsformen zum optischen Verbinden einer einzelnen optischen Faser mit einer individuellen flachen LED.
6 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer LED mit einem Reflektor, der mit einem Lichtleiterintegrator durch eine optische Faser mit einer Kondensorlinse optisch gekoppelt ist.
7 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer LED mit einem Reflektor, der mit einem Lichtleiterintegrator mit einer Kondensorlinse durch eine optische Faser optisch gekoppelt ist.
8 zeigt eine teilweise schematische Seitenansicht einer Ausführungsform, die mehrere LED-Anordnungen mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen verwendet, die mit einem universellen Lichtleiterintegrator durch mehrere jeweilige Faserbündel optisch gekoppelt sind.
9 zeigt eine teilweise schematische Seitenansicht beziehungsweise Draufsicht einer Ausführungsform, die mehrere LED-Anordnungen mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen verwendet, die mit separaten Lichtleiterintegratoren durch mehrere jeweilige Faserbündel optisch gekoppelt sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
2 zeigt eine gewöhnliche "Einzelstrahlengang"-Ausführungsform eines Multimediaprojektors 30 der vorliegenden Erfindung, die mehrere, relativ monochromatische Lichtquellen 32 mit zwei oder mehr verschiedenen Wellenlängen benutzt. Die Lichtquellen 32 sind vorzugsweise LEDs oder LED-Anordnungen und von einer Stromversorgung 34 elektrisch versorgt.
Von den Lichtquellen 32 emittiertes Licht breitet sich allgemein entlang separater und gemeinsamer Teile eines Strahlengangs 36 aus, der Lichttransmissionsleiter 38, einen optischen Integrator 40, eine oder mehrere Strahlenganglinsen 42, eine Anzeigeeinrichtung 44, eine Projektionslinsengruppe 46 und zahlreiche weitere für Fachleute bekannte optische Komponenten enthalten kann.
Die Anzeigeeinrichtung 44 ist vorzugsweise ein DMD, aber kann alternativ eine Reflective Liquid Crystal On Semiconductor ("LCOS")-Array-Einrichtung oder eine LCD-Lichtsteuereinrichtung sein. Die Projektionslinsengruppe 46 enthält vorzugsweise eine Linse mit fester Brennweite, aber kann auch eine Linse mit veränderlicher Brennweite oder Zoomlinse sein.
Die optischen Komponenten werden von einem Magnesium-druckgegossenen Rahmen 48 (von dem nur ein Teil gezeigt ist) in einem Projektorgehäuse (nicht gezeigt) zusammengehalten, die mechanisch starr sind und Wärme ableiten. Derartige Rahmen und Gehäuse sind für Fachleute bekannt und können ausgebildet werden, um einen Kühllüfter 50 zum Kühlen der optischen Komponenten aufzunehmen, und erleichtern eine Kühlluftströmung 52. Die Stromversorgung 34 kann auch verwendet werden, um den Kühllüfter 50 und die Anzeigesteuereinrichtung 56 mit Strom zu versorgen.
Die Anzeigesteuereinrichtung 56, die einen Mikroprozessor enthält, empfängt Farbbilddaten von einer Multimediaeinrichtung 58, wie zum Beispiel einem Personalcomputer oder einem Videogerät, und verarbeitet die Bilddaten in bildsequentielle rote, grüne und blaue Bilddaten, von denen Sequenzbilder zur Anzeigeeinrichtung 44 in ordnungsgemäßem Synchronismus mit zur Stromversorgung 34 gesendeten Signalen übermittelt werden, um die Lichtquellen 32 einzuschalten, die die korrespondierende Farbe emittieren.
Wenn die Anzeigeeinrichtung 44 ein DMD ist, steuert die Anzeigesteuereinrichtung 56 eine Anordnung von digital reflektierenden Spiegeln mit hoher Dichte in der Anzeigeeinrichtung 44, so daß sich von der Linse 42 ausbreitendes Licht von jedem Spiegel in der Anordnung entweder in Richtung zur Projektionslinse 46 oder in Richtung zu einer lichtabsorbierenden Fläche 60, die an oder in der Nähe des optischen Rahmens 48 montiert ist, selektiv reflektiert wird. Das von Spiegeln der Anzeigeeinrichtung 44, die in der EIN-Richtung orientiert sind, reflektierte Licht breitet sich durch die Projektionslinse 46 zur Anzeige auf einem Bildschirm (nicht gezeigt) aus, und das an Spiegeln der Anzeigeeinrichtung 44, die in der AUS-Richtung orientiert sind, reflektierte Licht wird von der lichtabsorbierenden Fläche 60 absorbiert.
Das DMD 44 ist vorzugsweise ein räumlicher Lichtmodulator Texas Instruments Modell DMD 1076, der aus einer rechteckigen Anordnung von mechanischen Mikrospiegeln aus Aluminium besteht, von denen jeder einzeln mit einem Winkel von z. B. ±10 Grad oder mehr um eine diagonale Gelenkachse ausgelenkt werden kann. Der Auslenkwinkel (entweder positiv oder negativ) des Spiegels wird individuell gesteuert durch Ändern der Speicherinhalte von zugrundeliegenden Adressierungsschaltungsanordnungs- und Spiegelrücksetzsignalen.
Wenn die Anzeigeeinrichtung 44 zum Beispiel eine durchlässige Flüssigkristallanzeige (LCD) ist, könnte sich der Strahlengang 36 durch sie und direkt durch die Projektionslinse 46' ohne irgendeine Krümmung ausbreiten. Wenn die Anzeigeeinrichtung 44 ein durchlässiges LCD 44 ist, wird das Licht von den Lichtübertragungsleitern als erstes von einem Polarisator, der einen Teil vom LCD 44 bilden kann, polarisiert, um Licht mit einer ausgewählten Durchtrittsorientierung zu erzeugen. Das polarisierte Licht wird danach von einer Informationsstruktur aus Pixeln im LCD 44 moduliert. Die vollständig inaktiven Pixels drehen das polarisierte Licht um 90° und die vollständige aktiven Pixels lassen das polarisierte Licht ohne Drehung durch. Das modulierte Licht tritt danach durch einen vorderen Polarisator (oder Analysator), der das gedrehte Licht der vollständig aktiven Pixels blockiert und das nicht gedrehte Licht der vollständig inaktiven Pixels hindurch läßt. Das modulierte Licht, insbesondere das Licht, das durch die inaktiven Pixels tritt, wird durch die Projektionslinse 46 zur Betrachtung gelenkt.
Fachleute werden erkennen, daß eine Vielzahl von LCD-Panels kommerziell erhältlich sind und einige unterschiedliche Polarisationschemata verwenden, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden könnten. Für 2 wären LCDs 44 reflektierende LCDs und für 9 wären LCDs 44 durchlässige LCDs, wie zum Beispiel XGA-Auflösung-LCDs, die von Sony Electronic, Inc. unter der Modellnummer LCX 017AL hergestellt werden.
3 präsentiert eine Ausführungsform, in der Lichtquellen 32 mehrere LED-Anordnungen 70 mit mehreren LEDs 72 auf einem Substrat 74 umfassen und Lichtübertragungsleiter 38 optische Fasern 76 enthalten. Unter Bezugnahme auf 3 erstrecken sich Enden von optischen Fasern 76 durch Löcher 78 in einer Abdeckplatte 80 und werden sie davon an ihrem Platz gehalten und mit LEDs 72 in einer Eins-zu-eins-Beziehung verkuppelt. In dieser Ausführungsform sind die LEDs 72 und Löcher 78 in Zeilen 82 und Spalten 84 ausgerichtet.
In einer Ausführungsform weist die LED-Anordnung 70 eine Länge 62 von ungefähr 16 mm, eine Breite 64 von ungefähr 12 mm und eine Höhe 66 von ungefähr 1 mm auf. In derselben Ausführungsform weist die Abdeckplatte 80 eine Länge 68 von 20 mm, eine Breite 69 von ungefähr 17 mm und eine Höhe 104 von ungefähr 10 mm auf. Die Abdeckplatte 80 ist vorzugsweise aus Aluminium, Magnesium und/oder anderen wärmeableitenden Materialien konstruiert. Die Abdeckplatte 80 kann auch ausgebildet sein, um Raum zwischen ihren Wänden 106 und Seiten 108 der LED-Anordnung 70 sowie zwischen der Oberseite 112 der Abdeckplatte 80 und Oberfläche 114 des Substrats 74 zu liefern, um eine Luftströmung zum Kühlen der LED-Anordnung 70 zu erleichtern.
In einer Ausführungsform umfassen die optischen Fasern 76 vorzugsweise lange und dünne Polymethyl-Methacrylat-Wellenleiter mit einem Durchmesser von ungefähr 0,75–1,5 mm, die einen fluorierten Polymermantel aufweisen und Verluste von weniger als ungefähr 0,17 dB/m zeigen.
In einer Ausführungsform enthalten die Lichtquellen 32 mehrere LED-Anordnungen 70, die mit ungefähr 200 W gespeist werden, und jede emittiert bei einer drei additiven Grundwellenlängen: Blau, Grün und Rot mit einer Effizienz von ungefähr 30%–50%. Zum Beispiel können die blauen LEDs 72 HPWL-Serien, hergestellt von Hewlett Packard (HP) sein, die 4,1 Lumen pro Watt in einem Wellenlängenbereich von 455–485 nm emittieren. In ähnlicher Weise können die grünen LEDs 72 HPWL-Serien, auch von HP hergestellt, sein, die 11,6 Lumen pro Watt in einem Wellenlängenbereich von 515–545 nm emittieren; und können die roten LEDs 72 HPWL-Serien, auch von HP hergestellt, sein, die 11 Lumen pro Watt in einem Wellenlängenbereich von 610–650 nm emittieren. Fachleute werden erkennen, daß, je bessere LEDs mit erhöhter Effizienz entwickelt und vervollkommnet werden, desto hellere LEDs bevorzugt würden. Die LEDs 72 können, wie gewünscht, voneinander im Abstand angeordnet werden, um Wärmeableitung zu erleichtern. Fachleute werden auch erkennen, daß die LED-Anordnung 70 eine seitlich emittierende Leiste von Laserdioden umfassen kann.
Andere LED-Emissionswellenlängen, wie zum Beispiel Gelb, Cyan oder Weiß, können zusätzlich oder alternativ verwendet werden. Obwohl Magenta-LEDs gegenwärtig nicht existieren, kann Magenta aus einer Kombination von roten und blauen LEDs 72 hergestellt werden. Zweckmäßigerweise kann weiß als eine einzige Farbe oder eine Kombination von Farben angesehen werden.
In einer Ausführungsform ist die LED-Anordnung 70 an 18 optischen Fasern 76 angebracht, die in einem oder mehreren optischen Bündeln 86 gefaßt sind, die ein kumulatives Austrittsgebiet von weniger als 56 mm² aufweisen können. Somit weist die LED-Anordnung 70 ein größeres Gebiet von Substratoberfläche 114 als das Austrittsgebiet ihres jeweiligen optischen Faserbündels 86, so daß das das Bündelaustrittsgebiet verlassende Licht größere Intensität (und weniger Wärme) als das von der Oberfläche 114 der LED-Anordnung 70 emittierte Licht aufweist.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform von Abdeckplatte 80a mit versetzten Zeilen 82a und 82b und Spalten 84a und 84b von Löchern 78. Unter Bezugnahme auf eine in 4 präsentierte bevorzugte Ausführungsform beträgt der Abstand 88 zwischen den Zeilen 82a und 82b von Mitte zu Mitte 2,8 mm; der Abstand 90 zwischen aufeinanderfolgenden Zeilen 82a und 82a oder aufeinanderfolgenden Zeilen 82b und 82b von Mitte zu Mitte 5,6 mm; der Abstand 92 zwischen Spalten 84a und 84b von Mitte zu Mitte 1,5 mm; und der Abstand 94 zwischen aufeinanderfolgenden Spalten 84a und 84a oder aufeinanderfolgenden Spalten 84b und 84b von Mitte zu Mitte 3,0 mm. Fachleute werden jedoch erkennen, daß viele Konfigurationen von LED-Anordnungen 70 und jeweiligen Abdeckplatten 80 möglich sind und daß die LED-Anordnungen 70 unterschiedliche Konfigurationen für dieselben oder unterschiedliche Emissionswellenlängen aufweisen können. Zum Beispiel blaue oder grüne LED-Anordnungen 70b und 70g können jeweilige LEDs 72b und 72g aufweisen, die dichter zusammengepackt sind, als rote LEDs 72r in roten LED-Anordnungen 70r gepackt sind. Fachleute werden auch erkennen, daß eine einzige LED-Anordnung 70 LEDs enthalten kann, die alle dieselbe Wellenlänge emittieren, oder Zeilen 82, Spalten 84 oder Gruppen mit LEDs 72b, 72g und/oder 72r mit unterschiedlichen Wellenlängen, wie in 3 demonstriert, aufweisen kann. Fachleute werden außerdem erkennen, daß die Emissionsintensität, Wärmeableitungseigenschaften und Herstellkosten auch eine Rolle bei der Bestimmung des Abstands und der Größe der LEDs 72 und/oder der Größe und Anzahl von LED-Anordnungen 70, die verwendet werden, spielen können.
Die 5A und 5B zeigen Ausführungsformen zum optischen Verbinden einer einzelnen optischen Faser 76 mit einer individuellen LED 72 mit ebener Oberfläche. Unter Bezugnahme auf die 5A und 5B können optische Fasern 76a oder 76b mit oder zusätzlich zu der Abdeckplatte 80 benutzt werden. Die optische Faser 76a weist eine konkave parabelförmige Stirnfläche 90a und eine parabelförmige Krümmung in Richtung zum Ende der Seitenwand 92a auf, während die optische Faser 76b eine konkave sphärische Stirnfläche 90b und ein Ende der Seitenwand 92a mit relativ flachem Winkel aufweist. In jeder Ausführungsform können die Gestalt und/oder Beschichtung der Stirnflächen 90a oder 90b (allgemein oder kollektiv Stirnflächen 90) und die Enden der Seitenwände 92a oder 92b (allgemein oder kollektiv Seitenwände 92) modifiziert oder anderweitig beschichtet werden, um eine Reflexion des von einer LED 72 emittierten Lichts in die optische Faser 74 unter einem gewünschten Ausbreitungswinkel zu erleichtern. In ähnlicher Weise können die Räume 94a und 94b mit einem optischen Gel beziehungsweise Klebstoff gefüllt werden, das/der einen gewünschten Brechungsindex aufweist. Fachleute werden erkennen, daß flache Stirnseiten 90 der optischen Fasern 76 stumpf gekoppelt werden können mit LEDs 72 mit oder ohne einem gewünschten optischen Gel beziehungsweise Klebstoff. Fachleute werden auch erkennen, daß eine optische Faser 76 mit einer Zeile 82 oder Spalte 84 von LEDs 72 seitlich gekoppelt werden kann. Fachleute werden außerdem erkennen, daß eine größere optische Faser oder ein Lichtleiter auf Arten, die den oben beschriebenen ähneln, ausgebildet werden können, um mit einer gesamten LED-Anordnung 70 anstelle einer einzelnen LED 72 gekoppelt zu werden.
6 zeigt eine Ausführungsform, die einen Reflektor 100 benutzt, der von der LED 72 (oder LED-Anordnung 70) emittiertes Licht in eine mit der optischen Faser 76 gekoppelte Kondensorlinse 102 lenkt, die nachfolgend mit einem oder mehreren optischen Integratoren 40 oder größeren Lichtleitern gekoppelt ist. Die optischen Fasern 76 können mit einem geeigneten optischen Klebstoff mit dem Eintrittsende des optischen Integrators 40 fest verbunden sein, um die Anfälligkeit für Zerbrechen während der Montage und der Wartung zu reduzieren, oder können vom optischen Integrator 40 im Abstand angeordnet oder montiert sein, um einer selektiven Bewegung von unterschiedlichen optischen Integratoren 40 Rechnung zu tragen. Der optische Integrator 40 dient zum Homogenisieren des Lichts von einer Vielzahl von LEDs 72 oder LED-Anordnungen 70. Der optischen Integrator 40 kann ein länglicher Tunneltyp sein und aus einem festen Glasstab bestehen, der auf innerer Totalreflexion beruht, um Licht dort hindurch zu übertragen und an seinem Austrittsende ein gleichförmiges Beleuchtungsfeld zu erzeugen. Vorzugsweise enthält der optische Integrator 40 rechtwinklig gemachte flache Oberflächen und kann er auch einen Mantel oder reflektierende verspiegelte Seitenwände aufweisen, die innere Reflexion schützen können.
Die Eintritts- und Austrittsenden des optischen Integrators 40 können unterschiedliche Querschnittsgrößen und -gestalten aufweisen, um ein Sammeln beziehungsweise Konzentrieren von Licht, wie gewünscht, zu erleichtern. Zum Beispiel kann das Austrittsende des optischen Integrators 40 gestaltet und/oder winkelig gemacht sein, um homogenisiertes Licht auf einer schräg positionierten Abbildungseinrichtung 44 optimal abzubilden. Ein derartiger optischer Integrator 44 enthält ein rechteckiges Eintrittsende und einen asymmetrischen lichtintegrierenden Tunnel, der das Licht in einer räumlich gleichmäßigen Struktur räumlich integriert, die eine nicht rechteckige Austrittsapertur des Tunnels verläßt. Die gleichförmige Beleuchtung, die die nicht rechteckige Austrittsapertur verläßt, kann von einer Übertragungslinse auf eine reflektierende Lichtsteuereinrichtung neu abgebildet werden, die schräg zur Längsachse des Tunnels montiert ist. Das die nicht rechteckige Austrittsapertur an der Lichtsteuereinrichtung verlassende Bild kann mit Absicht verzerrt werden, um irgendwelchen Trapezfehler, Beleuchtungsüberfüllgebiete und Beleuchtungsabnahmegebiete zu kompensieren, wodurch Lichtverlust, zunehmende Helligkeit und Helligkeitsgleichförmigkeit über die Lichtsteuereinrichtung verhindert werden. Fachleute werden anerkennen, daß zahlreiche Gestaltungskombinationen für die Eintritts- und Austrittsenden des optischen Integrators möglich sind.
Vorzugsweise weist der optische Integrator 40 einen Querschnitt mit Drei-zu-Vier-Verhältnis auf, um ein mit SVGA- und XGA-Auflösungen kompatibles Drei-zu-Vier-Anzeigeformat bereitzustellen. In einer Ausführungsform weist der optische Integrator 40 eine bevorzugte Größe von 16,3 mm × 21, 7 mm auf. Der optische Integrator 40 kann jedoch andere Formate, wie zum Beispiel einen Querschnitt mit Neun-zu-Sechzehn-Verhältnis (HDTV) oder einen Querschnitt mit Fünf-zu-Vier-Verhältnis (SXGA), enthalten. Außerdem können mehrere Integratoren mit unterschiedlichen Querschnitten und verbundener Sammel- und Projektionsoptiken zur selektiven Bewegung in den Strahlengang 36 angeordnet werden, um, wie gewünscht, verschiedene Projektionsanzeigeformate bereitzustellen.
7 zeigt auch eine Ausführungsform, die einen Reflektor 100 verwendet, der von der LED 72 (oder der LED-Anordnung 70) emittiertes Licht in die optische Faser 76 lenkt. Das sich durch mehrere optische Fasern 76 ausbreitende Licht wird nachfolgend von einer großen Kondensorlinse 110 gesammelt, die mit dem optischen Integrator 40 oder einem größeren Lichtleiter gekoppelt ist.
Unter Bezugnahme auf die 2–7 sind in einer Ausführungsform die Austrittsenden von näherungsweise 200 oder mehr Faserbündeln 86 mit dem Eintrittsende des optischen Integrators 40 gekoppelt. Wenn photometrisch gewichtete Intensität (weiß abgeglichen bei optimaler Leuchtdichte) der oben beschriebenen blauen, grünen und roten LED-Anordnungen 70 gewünscht sind, dann würden näherungsweise 45 blaue LEDs 72, 105 grüne LEDs 72 und 50 rote LEDs 72 verwendet werden, um 2000 Lumen weißes Licht zu erzeugen. Fachleute werden erkennen, daß ein Weißabgleich durchgeführt oder abgestimmt werden kann durch Modulieren der Zeitmenge, während derer jede LED-Anordnung 70 mit unterschiedlicher Farbe aktiviert ist.
8 zeigt eine detaillierte Ausführungsform eines Einzelstrahlengangprojektors 30, der Einfarben-LED-Anordnungen 70b, 70g und 70r mit jeweiligen blauen, grünen und roten Emissionswellenlängen verwendet. Optische Fasern 76 von jeder gleichgefärbten LED 72, LED-Anordnung 70 oder Gruppe von LED-Anordnungen 70 können in einem gemeinsamen Faserbündel 86 gebündelt werden, das nachfolgend in einem optischen Integrator 40 gekoppelt werden kann. Fachleute werden erkennen, daß die verschiedenen Gruppen von gemeinsam gefärbten Faserbündeln 86 in dem Integrator 40 unter denselben oder unterschiedlichen Winkeln gekoppelt werden können. Fachleute werden auch erkennen, daß jedes Faserbündel 86 alternativ ausgebildet sein kann, um eine oder mehrere optische Fasern 76 zu enthalten, die von unterschiedlich gefärbten LEDs 72 sammeln. Derartige Faserbündel könnten erwünscht sein, um die kumulative Intensität jeder Lichtwellenlänge beim Eintritt in und beim Austritt aus dem optischen Integrator 40 besser zu homogenisieren. Unter nochmaliger Bezugnahme auf 1 und 8, wo unterschiedlich gefärbtes Licht in einem gemeinsamen optischen Integrator integriert wird, bevor es zu oder durch eine Anzeigeeinrichtung 44 in einem Einstrahlengangsystem übertragen wird, synchronisiert die Anzeigesteuereinrichtung 56 das EIN- und AUS-Schalten der Gruppen von gleich gefärbten LEDs 72 mit den Farbbilddaten vom Personalcomputer 58 in einer Rahmensequenzart. Dieser LED-beleuchtete Einzelstrahlengangprojektor 30 liefert ein leichtes, einfaches, helles und kostengünstiges Multimediaprojektionssystem.
Wie oben unter Bezugnahme auf 3 erörtert, kann eine Vielzahl von LED-Farboptionen verwendet werden. Zusätzlich kann weißes Licht von zusätzlichen LED-Anordnungen oder anderen weißen Quellen, wie zum Beispiel HID oder Bogenlampen, in einem separaten Farbzeitfenster verwendet oder selektiv andere Farben verwendenden Fenstern hinzugefügt werden. Alternativ oder zusätzlich können LED-Anordnungen 70b, 70g und 70r simultan verwendet werden, um ein Zeitfenster mit weißer Farbe zu erzeugen.
9 zeigt eine Ausführungsform eines Dreifachstrahlengangprojektors 120, der Einfarben-LED-Anordnungen 70b, 70g und 70r verwendet, die Licht emittieren, das sich entlang getrennter jeweiliger Strahlengänge 36b, 36g und 36r ausbreitet, einschließlich Ausbreiten durch jeweilige Faserbündel 86b, 86g und 86r zu jeweiligen separaten Lichtleiterintegratoren 40 und durch jeweilige Anzeigeeinrichtungen 44b, 44g und 44r, die vorzugsweise LCDs sind. Die Strahlengänge 36b, 36g und 36e treffen sich an einem optischen Kombinierer 22, der ein zusammengesetztes Bild zu den Linsen 42 und 46 emittiert. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die LED-Anordnungen 70b, 70g und 70r kontinuierlich eingeschaltet gelassen werden können und keine Farbrahmensynchronisation erfordern. Stattdessen synchronisiert die Anzeigesteuereinrichtung 56, an die Anzeigeeinrichtungen 44b, 44g und 44r gelieferte Anweisungen, die in Bezug zueinander und zum Kombinierer 122 geeignet ausgerichtet sind, um das zusammengesetzte Bild zu erzeugen. Ein derartiges Bild könnte ungefähr 50% heller als in einer Einzelstrahlengangausführungsform sein, wo jede Farbe nur 1/3 der Zeit für jedes Bildfenster projiziert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß unterschiedliche Typen von LCDs verwendet werden könnten, um die verschiedenen Farbfenster zu modulieren, da einige LCDs durchlässiger für einige der Farben sind oder eine bessere Farbausgabe als andere LCDs liefern. Es wäre sehr vorteilhaft, die Auswahl nicht auf ein einziges LCD, das für alle drei Farben recht gut arbeitet, beschränken zu müssen.
Wie oben erörtert, kann eine Vielzahl von LED-Farboptionen verwendet werden. Zusätzlich kann weißes Licht von zusätzlichen LED-Anordnungen oder anderen weißen Quellen, wie zum Beispiel HID oder Bogenlampen, zum Beispiel, in eine vierte Seite des Kombinierers 122 eingegeben werden, um die Helligkeit zu verbessern, und könnte es mit oder ohne einer Anzeigeeinrichtung 44 verwendet werden.
Fachleute werden erkennen, daß Teile der vorliegenden Erfindung anders als die oben für bevorzugte Ausführungsformen beschriebenen Implementierungen implementiert werden können. Zum Beispiel werden Fachleute erkennen, daß zahlreiche Variationen der hierin beschriebenen LED 72-, LED-Anordnung-, optische Faser 76-, Faserbündel 86-, Reflektor 100-, Kondensor 102- und Integrator 40-Kopplungsschemata mit jedem der Einzelstrahlengang- oder Dreifachstrahlengangprojektionssysteme der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Zusätzlich ist die vorliegende Erfindung zur Verwendung mit vielen unterschiedlich umlenkenden Strahlengängen, Lichtquellen mit separater Wellenlänge und alternativen Anzeigeeinrichtungen, Anzeigesteuereinrichtungen und FSC-Datenformaten geeignet.
Fachleute werden außerdem erkennen, daß viele Änderungen an den Details der oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von den zugrundeliegenden Prinzipien abzuweichen. Dementsprechend wird man erkennen, daß die vorliegende Erfindung auch auf Farbsynchronisationsanwendungen anwendbar ist, die von den in Multimediaprojektoren aufgefundenen abweichen. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung sollte somit nur durch die folgenden Ansprüche ermittelt werden.

Claims

Bildprojektionssystem für eine Anzeigeeinrichtung, mit: einer ersten Gruppe von ersten LEDs (32; 72) zum Erzeugen von erstem Licht mit einer ersten Wellenlänge während eines ersten Emissionszeitfensters; einer zweiten Gruppe von zweiten LEDs (32; 72) zum Erzeugen von zweitem Licht mit einer zweiten Wellenlänge während eines zweiten Emissionszeitfensters; wobei sich die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, daß das System außerdem umfaßt eine erste Gruppe von ersten optischen Fasern (36; 76), wobei jede erste optische Faser an deren gegenüberliegenden Enden ein erstes Eintrittsende zum Empfangen von erstem Licht von mindestens einer der ersten LEDs und ein erstes Austrittsende zum Übertragen des ersten Lichts direkt oder indirekt zu einer Abbildungseinrichtung (46) enthält; eine zweite Gruppe von zweiten optischen Fasern (36; 76), wobei jede zweite optische Faser an deren gegenüberliegenden Enden ein zweites Eintrittsende zum Empfangen von zweitem Licht von mindestens einer der zweiten LEDs und ein zweites Austrittsende zum Übertragen des zweiten Lichts direkt oder indirekt zur Abbildungseinrichtung (46) enthält; und eine Anzeigesteuereinrichtung (56), die derart ausgebildet, daß sie Farbbilddaten von einer Datenquelle empfängt und die Farbbilddaten in mindestens erste und zweite Farbrahmensequenzdaten zum Ansteuern der Abbildungseinrichtung umwandelt, wobei die Anzeigesteuereinrichtung auch ausgebildet ist, um die ersten und zweiten Emissionszeitfenster der jeweiligen ersten und zweiten Gruppen von LEDs zu steuern, so daß die Abbildungseinrichtung die ersten Farbrahmensequenzdaten während des ersten Emissionszeitfensters implementiert und die Abbildungseinrichtung die zweiten Farbrahmensequenzdaten während des zweiten Emissionszeitfensters implementiert.
Bildprojektionssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine dritte Gruppe von dritten LEDs (32; 72) zum Erzeugen von drittem Licht mit einer dritten Wellenlänge, wobei sich die dritte Wellenlänge von den ersten und zweiten Wellenlänge unterscheidet; und eine dritte Gruppe von dritten optischen Fasern (36; 76), wobei jede dritte optische Faser an deren gegenüberliegenden Enden ein drittes Eintrittsende zum Empfangen von drittem Licht von mindestens einer der dritten LEDs und ein drittes Austrittsende zum Übertragen des dritten Lichts direkt oder indirekt zur Abbildungseinrichtung (46) enthält, wobei die Anzeigesteuereinrichtung (56) derart ausgebildet ist, daß sie die Farbbilddaten in erste, zweite und dritte Farbrahmensequenzdaten zum Ansteuern der Abbildungseinrichtung umwandelt, wobei die Anzeigesteuereinrichtung auch ausgebildet ist, um erste, zweite und dritte Emissionszeitfenster der jeweiligen ersten, zweiten und dritten Gruppen von LEDs zu steuern, so daß die Abbildungseinrichtung die ersten, zweiten und dritten Farbrahmensequenzdaten während der jeweiligen ersten, zweiten und dritten Emissionszeitfenster implementiert.
Bildprojektionssystem nach Anspruch 2, in dem die ersten, zweiten und dritten LEDs jeweils blaues, grünes und rotes Licht emittieren.
Bildprojektionssystem nach Anspruch 1, in dem die Abbildungseinrichtung ein DMD (44), LCOS oder LCD aufweist.
Bildprojektionssystem nach Anspruch 1, in dem die Datenquelle einen Personalcomputer (58) aufweist.
Verfahren zum Projizieren von Farbanzeigeinformation, umfassend: Empfangen von Farbbilddaten von einer Datenquelle (58), Umwandeln der Farbbilddaten in mindestens erste und zweite Farbrahmensequenzdaten zum Ansteuern einer Abbildungseinrichtung (46), Erzeugen von erstem Licht mit einer ersten Wellenlänge anhand einer ersten Gruppe von ersten LEDs (32; 72) während eines ersten Emissionszeitfensters; Übertragen des ersten Lichts durch eine erste Gruppe von ersten optischen Fasern (36; 76), wobei jede erste optische Faser an deren gegenüberliegenden Enden ein erstes Eintrittsende zum Empfangen von erstem Licht von mindestens einer der ersten LEDs (32; 72) und ein erstes Austrittsende zum Übertragen des ersten Lichts direkt oder indirekt zur Abbildungseinrichtung (46) enthält, Implementieren der ersten Farbrahmensequenzdaten während des ersten Emissionszeitfensters bei der Abbildungseinrichtung (46) zur Bildung eines ersten Farbrahmenbildes; Erzeugen von zweitem Licht mit einer zweiten Wellenlänge anhand einer zweiten Gruppe von zweiten LEDs während eines zweiten Emissionszeitfensters, wobei sich die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge unterscheidet; Übertragen des zweiten Lichts durch eine zweite Gruppe von zweiten optischen Fasern (36; 76), wobei jede zweite optische Faser an deren gegenüberliegenden Enden ein zweites Eintrittsende zum Empfangen von zweitem Licht von mindestens einer der zweiten LEDs (32; 72) und ein zweites Austrittsende zum Übertragen des zweiten Lichts direkt oder indirekt zur Abbildungseinrichtung (46) enthält; und Implementieren der zweiten Farbrahmensequenzdaten während des zweiten Emissionszeitfensters bei der Abbildungseinrichtung (46) zum Bilden eines zweiten Farbrahmenbildes.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend: Umwandeln der Farbbilddaten in erste, zweite und dritte Farbrahmensequenzdaten zum Ansteuern der Abbildungseinrichtung (46); Erzeugen von drittem Licht mit einer dritten Wellenlänge anhand einer dritten Gruppe von dritten LEDs (32; 72) während eines dritten Emissionszeitfensters; Übertragen des dritten Lichtes durch eine dritte Gruppe von dritten optischen Fasern (36; 76), wobei jede dritte optische Faser an deren gegenüberliegenden Enden ein drittes Eintrittsende zum Empfangen von drittem Licht von mindestens einer der dritten LEDs (32; 72) und ein drittes Austrittsende zum Übertragen des dritten Lichts direkt oder indirekt auf die Abbildungseinrichtung (46) enthält; und Implementieren der dritten Farbrahmendaten während des dritten Emissionszeitfensters bei der Abbildungseinrichtung (46) zum Bilden eines dritten Farbrahmenbildes.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend: Emittieren von blauem, grünem und rotem Licht jeweils von den ersten, zweiten und dritten LEDs.
Verfahren nach Anspruch 6, in dem die Abbildungseinrichtung ein DMD (44), LCOS oder LCD aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, in dem die Abbildungseinrichtung unterschiedliche Typen von LCDs aufweist.