摘 要 ：介紹 一種 以 LED 作 為光 源的 單片 LCos全彩 色投 影機(jī) ．．證 實由 于偏振 光轉(zhuǎn) 換 導(dǎo)致 的 光
輸 出限制是 可 以 克服 的 ，就是 通過 LCOS面板 小 的工作 F≠和 LED 與 偏振 光 回 收 兼 容性 設(shè) 計 ，
而且避 免 了光 源光束 擴(kuò)展 量 的增 加 ．．介 紹 LCOS投影 HDTV 在 光收 集元 件和 驅(qū) 動 方 式等 方 面
關(guān)鍵 技 術(shù)的進(jìn) 展 實例 采 用 常規(guī) LED，得 到 大 于 401m 的屏 幕流 明 光通量 。
關(guān)鍵詞 ：LED光源 ；LCOS；單片式投影機(jī)
1 引 言
過去 10年 ，LED的亮度迅速增長 ，這種增 長預(yù)
計在今后幾年里還會繼續(xù) …。這種進(jìn)步使得用 LED
作 光源的投影顯示成 為可能。對于投影顯示來說 ，使
用 LED光源最具吸引力的特性在于高達(dá) 10萬小日寸
的壽命 ，而且驅(qū)動 電壓低 、響應(yīng)速度快、色域?qū)挕]有
收稿 日期 ：2006—10-8
紫外或紅外輻射 以及非相干性。因此，使用 LED光
源的高性能投影機(jī) ，成本低且整機(jī)效率高。雖然 目前
LED還沒有達(dá)到背投 電視所期望的亮度 ，但差距正
在縮小。目前 ，LED光源定位在外形尺寸小和無需高
亮輸出的應(yīng)用領(lǐng)域。這開啟 了一個新的市場機(jī)遇 ，例
如能夠和移動設(shè)備相結(jié)合的迷你投影機(jī)。
因為 LED是單色光源并且可 以高速開關(guān) ，所以
使用 LED光源在單 片顯示 中可 以實現(xiàn)場序 彩色方 式。單片系統(tǒng)是 實現(xiàn)低成本和較高圖像質(zhì)量 的首選。
為了輸出足夠的光通量 ，顯示面板必須能夠兼容高
的幀頻。德州儀器(TI)的 DLP是一種高速的微顯器
件，有人 已經(jīng)將它用于 LED光源的投影顯示中 。
液晶顯示面板成本更低 ，灰度等級更好，但是通常
響應(yīng)速度太慢而無法支持實現(xiàn)場序彩色工作。但有兩
個例外，一是鐵 電液晶顯示，響應(yīng)速度很快，但因直流
平衡 ，有效占空比低 ：另一種就是飛利浦的高速硅基液
晶(LCOS)顯示，基于薄液晶盒和 向列相液晶，響應(yīng)日寸
間小于 1ms。飛利浦的 LCOS顯示結(jié)合該技術(shù)的一般
優(yōu)點和令人滿意的高響應(yīng)速度 ，給使用 LED光源的單
片投影顯示提供 了一種極具吸引力的選擇。
LCOS顯示需要偏振光照明 ，相對 DLP而言 ，
存在光束擴(kuò)展量限制。但是 ，LCOS能夠 實現(xiàn)的 F}}
可 以小到 1．8，而 DLP典型 的 F}}是 2．8。 而 且 LED
作為一種固體光源 ，更適合保持光束擴(kuò)展量的偏振
光回收方案。從長遠(yuǎn)來看，LCOS分辨率的增加并不
依賴于面板尺寸 ，對于高分辨率面板和光學(xué)引擎就
意味著進(jìn)一步降低成本的潛力。
本文介紹以 LED作為光源的 LCOS高清 電視
投影系統(tǒng)。為了表現(xiàn) LED光源的全部優(yōu)點并得到最
大化的光輸出 ，重點闡述光收集 ，LED驅(qū)動 ，顯示面
板寫入和系統(tǒng)集成。
2 照 明模 組
2．1 LED驅(qū)動
在場序彩色顯示中，不同色的子幀數(shù)據(jù)順序加
載到相應(yīng)色光照明的面板。理 想情況下，子幀傳輸時
間為零 ，對基于三基色的時序彩色系統(tǒng) ，每個色光平
均照 明的占空 比是 33％。但是 對于 實際的顯示面
板 ，子幀之間的過渡需要一定時間。在過渡段內(nèi)，由
于面板照明狀態(tài)不確定而未被照明。這個因素給照
明占空比帶來 了限制。
因 LED只在需要時點亮，LED光源不發(fā)出光使
得低 占空比會減 少可用 的平均光輸出。補(bǔ)償?shù)驼彰?
占空比的一個方法是增加瞬時光輸出，用高于直流
工作點的電流驅(qū)動 LED。
我們 研 究 了用 不 同 占空 比的脈 沖 電流驅(qū) 動
Lumileds公司 Luxeon系列 LED的特性。在 33％
占空比和 66Hz重復(fù)頻率 的驅(qū)動下 ，與直流 35OmA
工作時的光輸出相比，綠色和藍(lán)色 LED可實現(xiàn)的光
輸出增益是 3．5，紅 色 LED的增 益是 2．5，如圖 1所
示。但是 ，這種方法的不足是得到的增益與占空比的
倒數(shù)不成線性 比例。
值得注意的是 ，高脈沖 電流工作對 LED壽命可
能有影響。幸運 的是 ，在前 1，000d',Et-,J壽命 測試數(shù)
據(jù) 中，與 Lumileds發(fā)布的壽命數(shù)據(jù)相 比，沒有表現(xiàn)
出因高脈沖 電流所致的光輸出加速衰減 。
我們 同樣觀察到 ，在使用高峰值 電流驅(qū)動 時，
LED輸出光的峰值波長偏移。 目標(biāo)色平衡 可通過適
當(dāng)調(diào)整照明色光的比例完成 ，因此偏移也不是問題。
我們的 LED驅(qū)動 電路就是基于這些 實驗結(jié)果設(shè)計
的。電路 的核心部分是以視頻驅(qū)動板 的幀同步信號
為源的觸發(fā)開 關(guān)。 電路的開關(guān)時間IJ、于 1uS，每個
LED的剩余峰值 電壓小于 7V。
2．2 光收 集和偏振 光回收
為了充分利用系統(tǒng)光束擴(kuò)展量 ，照明光源需用
多個 LED芯片。可以把這些 LED芯 片密集封裝在
一 起，再用一個光學(xué)元件收集 也可用光學(xué)元件陣
列 ，每個 LED芯片對應(yīng)單獨的透鏡。 出于更好的熱
管理考慮 ，選擇光學(xué)元件陣列方式。光束擴(kuò)展量守恒
和系統(tǒng)效率是光學(xué)設(shè)計的主要出發(fā)點。
對于 Luxeon公司 1mm 的 LED，藍(lán)色和綠色芯
片在封裝內(nèi)的光束擴(kuò)展量大約是 1Omm20sr，可能的
LED數(shù)量為系統(tǒng)光束擴(kuò)展量和 LED光束擴(kuò)展量的比
值。如果 LED直接暴露在空氣中，其光束擴(kuò)展量會降
低 2．25(假設(shè)封裝的折射率 幾。=1．5)倍 ，原因是 光束
擴(kuò)展量和 n。成比例。另一方面，對于從 LED一個表
面發(fā)出的光，可實現(xiàn)的光提取效率 7】醐估計如下：
其中 幾是 LED芯片的折射率 ，藍(lán) 色和綠色 LED芯
片的 幾等于 2．5。按照式(1)，對于藍(lán)色和綠色 LED
而言 ，帶封裝 LED的提取效率是未封裝 LED的 2．3
倍。對于有確定光束擴(kuò)展量的系統(tǒng) ，可用光通量 由
LED數(shù)量與提取效率的乘積決定 ，基于這種考慮 ，封
裝與否好像沒有太大的區(qū)別。但是 ，封裝在能量利用
效率上有 2．3倍的優(yōu)勢 ，從而緩解導(dǎo)致 LED輸 出降
低 的溫升問題。 因此 ，模組所用 LED芯 片都埋在折
射率為 1．5的封裝里面。
為了收集 LED發(fā)出的光并耦合到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)里 ，
使用一種復(fù)合拋物面收集器(CPC)。CPC收集 LED
芯片發(fā) 出的光，同時還基本上保持光束擴(kuò)展量。由于
LED芯片和顯示面板都呈矩形 ，理想的 CPC也應(yīng)有
矩形入 口和出 口，并且呈圓形的角分布。CPC收集
器具有非旋轉(zhuǎn)對稱的孔徑 ，必須采用復(fù)雜的星狀橫
截面排列 ，盡 管不夠完美 ，但還是很好地保持 了光學(xué)
擴(kuò)展量。為避免制造過于復(fù)雜 ，決定使用橫截面形狀
相 同的 CPC，這樣面臨兩種選擇 ：一種有正方形的輸
入輸出口及角分布 ，另一種有圓形的輸入輸出 口及
角分布。使用正方形 LED芯片時 ，正方形 CPC雖然
不 因幾何 面積而使光學(xué)擴(kuò)展量變大，但角分布卻會
使之變大。圓形 CPC不會 因角分布而使光學(xué)擴(kuò)展量
變大 ，但幾何面積卻會使之變大。以可用光束擴(kuò)展量
為衡量尺度 ，根據(jù)模擬結(jié)果 ，方形 CPC和 圓形 CPC
的效率分別為 85％~D71％。因此 ，方形 CPC的效率
仍然高 出 20％。使用金剛石車床很難 加工正方形
CPC初樣 ，因此 初樣 使用金剛石車床加 工的圓形
CPC，以后再使用注塑加工的正方形 CPC。
CPC反射器 的另一個好處就是與可能設(shè)置的偏 振光循環(huán)回收的良好兼容性。基于 CPC的幾何形狀 ，
每一條在出射面經(jīng)鏡面反射的光線都要返回到入 口。
實驗室里測量的 LED芯片具有 60％的有效反射率 ，
進(jìn)～步增加了非偏振光被回收的可能性。為了實現(xiàn)偏
振光回收，將 3M 的 DBEF以及 1／4波片耦合到 CPC
的出口面。平均而言，測到偏振光輸出增加了 25％，模
組輸出光的消光比為 10：1。系統(tǒng)光束擴(kuò)展量允許使
用 12只 LED，包括 1O％的溢出率。但是，圓形 CPC無
法做到無縫拼接。每種顏色的 LED多裝 2只。圖 2所
示的就是基于上述設(shè)計的 LED—CPC陣列模塊。
2．3 均勻和 中繼 光路
如圖 2所示，CPC陣列的出口面上 ，CPC之間有
縫隙。需要均光積分和中繼光學(xué)器件來實現(xiàn)對 LCOS
面板的均勻照明。因為 CPC陣歹0出口與 LCOS面板
之間較大的形狀差異 ，使用光棒 的傳統(tǒng)方式不利于緊
湊的結(jié)構(gòu)。作為替代 ，用一個透鏡作為積分器。如圖 3
所示 ，在 CPC入 口面處的 LED芯片的像重迭在積 分
透鏡的焦平面上 ，形成均勻照明光斑。在這種方式下 ，
透鏡既起到積分器 的作用又起到中繼鏡的作用。透鏡
的焦距和孔徑尺寸需適 當(dāng)選擇 ，使得照明光斑尺 寸
匹配 LCOS面板尺寸，照明錐角 匹配系統(tǒng) F}}。
與 Luminleds公 司商 品 LuxeonLEDs的光輸
出相 比，測得的 LED—CPC陣列 的光 收集效率約為
85％。LCOS面板 中心到 四角的均勻性約為 70％。
3 LCOS面板的驅(qū)動
投影機(jī)所用 LCOS面板是為卷進(jìn)式彩色工作方
式設(shè)計的。因此，視頻數(shù)據(jù)寫進(jìn) LCOS面板采用逐行
掃描方式。表 1列出投影機(jī)所用 LCOS面板的主要
參數(shù)。為顯示圖像 ，面板首先通過稱為 ”預(yù)寫 ”的方式
復(fù)位，這有助于確保 LC響應(yīng)不受過去數(shù)據(jù)的影響。
LED照明同步于面板寫入序列 ，如圖 4所示。由表 1
可見，有效時間全部用于對面板寫入視頻數(shù)據(jù)。對于
100Hz的幀頻率 ，每種顏色可能的照明占空比只有
10％，而理想情況是 33％。但是 ，如果 LCOS面板特
別為時序彩色工作進(jìn)行設(shè)計，在照明時間內(nèi)，視頻數(shù)據(jù)能被寫入到每一個像素存儲，然后很快載入整個顯示
區(qū)域。在這種情況下，只有 LCⅡ向應(yīng)時間限制著照明占
空比。為展示現(xiàn)有 LCOS結(jié)構(gòu)限制較少的可用性能，采
取幾個措施使照明占空比最大化，并抑制偽差。
3．1 選 擇 性 兩行 寫入
飛利浦 的 LCOS面板 支持多行 寫入 ，比如兩
行 ，在同一時間寫入相同信息。但是 ，應(yīng)用這種方法
通 常會降低垂直解像度 ，大多數(shù)應(yīng)用并不接 受這種
解決方案。眾所周知 ，人 類視覺系統(tǒng) 對亮度(灰 階 )
的分辨力相對于色差(彩 色 )的分辨力更為敏感 ，不
同的色彩對亮度 的貢獻(xiàn)也不同。對 NTSC基色系統(tǒng)
而 言 ，D65白光標(biāo)稱 亮度 的百 分比為 ，30％紅色 、
59％綠色、11％藍(lán)色。基于這一事實，可以兩行模式
選擇寫入藍(lán)色和紅色子幀 ，而綠色子幀則以全分辨
率模式寫入。為進(jìn)一步減 少分辨率損失 ，可在相鄰的
圖像幀內(nèi)，交替使用奇行或偶行信息寫入。通過采用
這種措施 ，不會損失藍(lán)色和紅色的總分辨率 ，只是降
低 了最高分辨率對應(yīng)的 MTF。當(dāng)藍(lán)色和紅 色同時使
用兩行模 式 時 ，減 少 寫入 時 間約 33％ ，在 幀率
100Hz條件下 ，照明 占空 比從 11％提高到 17％。
檢驗 了選擇性兩行寫入模式的視覺效果。裸視
沒有觀察到明顯的圖像質(zhì)量下降。
3_2 驅(qū)動 電壓極性變換
在給定的寫入時問內(nèi)，較低的幀頻率有利于實
現(xiàn)高照明占空比。但是，低幀頻率會引入偽差 ，其中
之一 就是 閃爍 。
為避免離子遷移損害 電極 ，加在 LCOS單 元的
電壓不應(yīng)有凈直流 電壓。因此 ，驅(qū)動 LCOS面板的電
壓應(yīng)該在相鄰的兩幀之間變換極性。難免的缺 陷使
得液晶響應(yīng)呈非對稱性 ，導(dǎo)致調(diào)制率為 1／2圖像幀
頻率的閃爍 。實際上 ，認(rèn) 為高達(dá) 100Hz的圖像幀頻
率是抑制惱人的閃爍 的最低頻率。
如果在 當(dāng)前子幀的中間切換驅(qū)動電壓的極性 ，閃
爍調(diào)制率和幀頻率就相同了。面板高速寫入，允許以相
反極性，在當(dāng)前子幀時間內(nèi)，對面板寫入與當(dāng)前相同的
信息。由于 LC只響應(yīng) RMS電壓，且因液晶響應(yīng)慢，故極性變換不會帶來任何不良后果。極性變換已經(jīng)成功
應(yīng)用，而且通過調(diào)制率加倍基本上抑制了可見閃爍。
隨著在子幀上極性變換的應(yīng)用 ，照 明占空比從
兩行模式和幀率 1OOHz條件下的 17％，提高到在幀
頻率 60Hz條件下的 22％并抑制了閃爍。
4 系統(tǒng) 集成 及性能
整個系統(tǒng)設(shè)計如圖 5所示 ，完整的系統(tǒng)照 片如
圖 6所示。與傳統(tǒng)光引擎相 比，投影機(jī)非常緊湊，元
件較少，沒有可移動部件。成像場鏡用來匹配照明孔
徑和投影鏡頭孔徑 ，投影鏡頭使用商用相機(jī)物鏡 。為
了散熱 ，每一個 LED陣列安裝了 2in×2in帶風(fēng)扇的
熱沉。系統(tǒng)的參數(shù)列于表 2Io
基于 系統(tǒng) 的光束擴(kuò)展量 ，LCOS投影機(jī) 的光輸
出似乎比不上采用 DLP技術(shù)的投 影機(jī)。這主要歸因
于逐行掃描架構(gòu)限制了可用 的照明 占空 比。但如果
考慮面板尺寸 ，兩者的差距并不那么大。LCOS面板
具 有更低 的工作 F樣，允許更大 的光束擴(kuò)展 量 ，反過
來對偏振光轉(zhuǎn)換損耗有所補(bǔ)償。
5 結(jié)論
我們示范 了一 種 以 LED為光源 的單板 LC0S
彩色 HDTV投影機(jī) ，輸出高于 401m，按面板 尺寸計
算，接近 0．1lm／mm 。設(shè)計充分利用 了 LED的特性 ，
如高瞬時輸出，兼容高效率 光收集器和保持光束擴(kuò)
展量的偏振光回收。也改進(jìn) 了驅(qū)動方式，以便克服 由
現(xiàn)有 LCOS逐行掃描架構(gòu)帶來的限制。投影機(jī)提供
的光輸出進(jìn)一步可提高到 0．24fm／mmz，包括使用更
有效 的光收集器增 加 25％，采用更有效 的 3M 公司
的 CartesianPBS增 加 35％ ，使用 幀加 載 方式的
LC0S面板增加 40％。