摘 要 ：介绍 一种 以 LED 作 为光 源的 单片 LCos全彩 色投 影机 ．．证 实由 于偏振 光转 换 导致 的 光 输 出限制是 可 以 克服 的 ，就是 通过 LCOS面板 小 的工作 F≠和 LED 与 偏振 光 回 收 兼 容性 设 计 ， 而且避 免 了光 源光束 扩展 量 的增 加 ．．介 绍 LCOS投影 HDTV 在 光收 集元 件和 驱 动 方 式等 方 面 关键 技 术的进 展 实例 采 用 常规 LED，得 到 大 于 401m 的屏 幕流 明 光通量 。

 关键词 ：LED光源 ；LCOS；单片式投影机 

1 引 言 

      过去 10年 ，LED的亮度迅速增长 ，这种增 长预 计在今后几年里还会继续 …。这种进步使得用 LED 作 光源的投影显示成 为可能。对于投影显示来说 ，使 用 LED光源最具吸引力的特性在于高达 10万小日寸 的寿命 ，而且驱动 电压低 、响应速度快、色域宽、没有 收稿 日期 ：2006—10-8 紫外或红外辐射 以及非相干性。因此，使用 LED光 源的高性能投影机 ，成本低且整机效率高。虽然 目前 LED还没有达到背投 电视所期望的亮度 ，但差距正 在缩小。目前 ，LED光源定位在外形尺寸小和无需高 亮输出的应用领域。这开启 了一个新的市场机遇 ，例 如能够和移动设备相结合的迷你投影机。 

      因为 LED是单色光源并且可 以高速开关 ，所以 使用 LED光源在单 片显示 中可 以实现场序 彩色方 式。单片系统是 实现低成本和较高图像质量 的首选。 为了输出足够的光通量 ，显示面板必须能够兼容高 的帧频。德州仪器(TI)的 DLP是一种高速的微显器 件，有人 已经将它用于 LED光源的投影显示中 。 

      液晶显示面板成本更低 ，灰度等级更好，但是通常 响应速度太慢而无法支持实现场序彩色工作。但有两 个例外，一是铁 电液晶显示，响应速度很快，但因直流 平衡 ，有效占空比低 ：另一种就是飞利浦的高速硅基液 晶(LCOS)显示，基于薄液晶盒和 向列相液晶，响应日寸 间小于 1ms。飞利浦的 LCOS显示结合该技术的一般 优点和令人满意的高响应速度 ，给使用 LED光源的单 片投影显示提供 了一种极具吸引力的选择。 

      LCOS显示需要偏振光照明 ，相对 DLP而言 ， 存在光束扩展量限制。但是 ，LCOS能够 实现的 F}} 可 以小到 1．8，而 DLP典型 的 F}}是 2．8。 而 且 LED 作为一种固体光源 ，更适合保持光束扩展量的偏振 光回收方案。从长远来看，LCOS分辨率的增加并不 依赖于面板尺寸 ，对于高分辨率面板和光学引擎就 意味着进一步降低成本的潜力。 

      本文介绍以 LED作为光源的 LCOS高清 电视 投影系统。为了表现 LED光源的全部优点并得到最 大化的光输出 ，重点阐述光收集 ，LED驱动 ，显示面 板写入和系统集成。 

2 照 明模 组 

2．1 LED驱动 

     在场序彩色显示中，不同色的子帧数据顺序加 载到相应色光照明的面板。理 想情况下，子帧传输时 间为零 ，对基于三基色的时序彩色系统 ，每个色光平 均照 明的占空 比是 33％。但是 对于 实际的显示面 板 ，子帧之间的过渡需要一定时间。在过渡段内，由 于面板照明状态不确定而未被照明。这个因素给照 明占空比带来 了限制。 

      因 LED只在需要时点亮，LED光源不发出光使 得低 占空比会减 少可用 的平均光输出。补偿低照明 占空比的一个方法是增加瞬时光输出，用高于直流 工作点的电流驱动 LED。 

      我们 研 究 了用 不 同 占空 比的脉 冲 电流驱 动 Lumileds公司 Luxeon系列 LED的特性。在 33％ 占空比和 66Hz重复频率 的驱动下 ，与直流 35OmA 工作时的光输出相比，绿色和蓝色 LED可实现的光 输出增益是 3．5，红 色 LED的增 益是 2．5，如图 1所 示。但是 ，这种方法的不足是得到的增益与占空比的 倒数不成线性 比例。 

      值得注意的是 ，高脉冲 电流工作对 LED寿命可 能有影响。幸运 的是 ，在前 1，000d',Et-,J寿命 测试数 据 中，与 Lumileds发布的寿命数据相 比，没有表现 出因高脉冲 电流所致的光输出加速衰减 。 

      我们 同样观察到 ，在使用高峰值 电流驱动 时， LED输出光的峰值波长偏移。 目标色平衡 可通过适 当调整照明色光的比例完成 ，因此偏移也不是问题。 我们的 LED驱动 电路就是基于这些 实验结果设计 的。电路 的核心部分是以视频驱动板 的帧同步信号 为源的触发开 关。 电路的开关时间IJ、于 1uS，每个 LED的剩余峰值 电压小于 7V。 

2．2 光收 集和偏振 光回收 

      为了充分利用系统光束扩展量 ，照明光源需用 多个 LED芯片。可以把这些 LED芯 片密集封装在 一 起，再用一个光学元件收集 也可用光学元件阵 列 ，每个 LED芯片对应单独的透镜。 出于更好的热 管理考虑 ，选择光学元件阵列方式。光束扩展量守恒 和系统效率是光学设计的主要出发点。 

      对于 Luxeon公司 1mm 的 LED，蓝色和绿色芯 片在封装内的光束扩展量大约是 1Omm20sr，可能的 LED数量为系统光束扩展量和 LED光束扩展量的比 值。如果 LED直接暴露在空气中，其光束扩展量会降 低 2．25(假设封装的折射率 几。=1．5)倍 ，原因是 光束 扩展量和 n。成比例。另一方面，对于从 LED一个表 面发出的光，可实现的光提取效率 7】醐估计如下：

      其中 几是 LED芯片的折射率 ，蓝 色和绿色 LED芯 片的 几等于 2．5。按照式(1)，对于蓝色和绿色 LED 而言 ，带封装 LED的提取效率是未封装 LED的 2．3 倍。对于有确定光束扩展量的系统 ，可用光通量 由 LED数量与提取效率的乘积决定 ，基于这种考虑 ，封 装与否好像没有太大的区别。但是 ，封装在能量利用 效率上有 2．3倍的优势 ，从而缓解导致 LED输 出降 低 的温升问题。 因此 ，模组所用 LED芯 片都埋在折 射率为 1．5的封装里面。 

     为了收集 LED发出的光并耦合到系统结构里 ， 使用一种复合抛物面收集器(CPC)。CPC收集 LED 芯片发 出的光，同时还基本上保持光束扩展量。由于 LED芯片和显示面板都呈矩形 ，理想的 CPC也应有 矩形入 口和出 口，并且呈圆形的角分布。CPC收集 器具有非旋转对称的孔径 ，必须采用复杂的星状横 截面排列 ，尽 管不够完美 ，但还是很好地保持 了光学 扩展量。为避免制造过于复杂 ，决定使用横截面形状 相 同的 CPC，这样面临两种选择 ：一种有正方形的输 入输出口及角分布 ，另一种有圆形的输入输出 口及 角分布。使用正方形 LED芯片时 ，正方形 CPC虽然 不 因几何 面积而使光学扩展量变大，但角分布却会 使之变大。圆形 CPC不会 因角分布而使光学扩展量 变大 ，但几何面积却会使之变大。以可用光束扩展量 为衡量尺度 ，根据模拟结果 ，方形 CPC和 圆形 CPC 的效率分别为 85％~D71％。因此 ，方形 CPC的效率 仍然高 出 20％。使用金刚石车床很难 加工正方形 CPC初样 ，因此 初样 使用金刚石车床加 工的圆形 CPC，以后再使用注塑加工的正方形 CPC。 

      CPC反射器 的另一个好处就是与可能设置的偏 振光循环回收的良好兼容性。基于 CPC的几何形状 ， 每一条在出射面经镜面反射的光线都要返回到入 口。 实验室里测量的 LED芯片具有 60％的有效反射率 ， 进～步增加了非偏振光被回收的可能性。为了实现偏 振光回收，将 3M 的 DBEF以及 1／4波片耦合到 CPC 的出口面。平均而言，测到偏振光输出增加了 25％，模 组输出光的消光比为 10：1。系统光束扩展量允许使 用 12只 LED，包括 1O％的溢出率。但是，圆形 CPC无 法做到无缝拼接。每种颜色的 LED多装 2只。图 2所 示的就是基于上述设计的 LED—CPC阵列模块。 

2．3 均匀和 中继 光路 

       如图 2所示，CPC阵列的出口面上 ，CPC之间有 缝隙。需要均光积分和中继光学器件来实现对 LCOS 面板的均匀照明。因为 CPC阵歹0出口与 LCOS面板 之间较大的形状差异 ，使用光棒 的传统方式不利于紧 凑的结构。作为替代 ，用一个透镜作为积分器。如图 3 所示 ，在 CPC入 口面处的 LED芯片的像重迭在积 分 透镜的焦平面上 ，形成均匀照明光斑。在这种方式下 ， 透镜既起到积分器 的作用又起到中继镜的作用。透镜 的焦距和孔径尺寸需适 当选择 ，使得照明光斑尺 寸 匹配 LCOS面板尺寸，照明锥角 匹配系统 F}}。 

       与 Luminleds公 司商 品 LuxeonLEDs的光输 出相 比，测得的 LED—CPC阵列 的光 收集效率约为 85％。LCOS面板 中心到 四角的均匀性约为 70％。

3 LCOS面板的驱动 

      投影机所用 LCOS面板是为卷进式彩色工作方 式设计的。因此，视频数据写进 LCOS面板采用逐行 扫描方式。表 1列出投影机所用 LCOS面板的主要 参数。为显示图像 ，面板首先通过称为 ”预写 ”的方式 复位，这有助于确保 LC响应不受过去数据的影响。 LED照明同步于面板写入序列 ，如图 4所示。由表 1 可见，有效时间全部用于对面板写入视频数据。对于 100Hz的帧频率 ，每种颜色可能的照明占空比只有 10％，而理想情况是 33％。但是 ，如果 LCOS面板特 别为时序彩色工作进行设计，在照明时间内，视频数据能被写入到每一个像素存储，然后很快载入整个显示 区域。在这种情况下，只有 LCⅡ向应时间限制着照明占 空比。为展示现有 LCOS结构限制较少的可用性能，采 取几个措施使照明占空比最大化，并抑制伪差。 

3．1 选 择 性 两行 写入 

      飞利浦 的 LCOS面板 支持多行 写入 ，比如两 行 ，在同一时间写入相同信息。但是 ，应用这种方法 通 常会降低垂直解像度 ，大多数应用并不接 受这种 解决方案。众所周知 ，人 类视觉系统 对亮度(灰 阶 ) 的分辨力相对于色差(彩 色 )的分辨力更为敏感 ，不 同的色彩对亮度 的贡献也不同。对 NTSC基色系统 而 言 ，D65白光标称 亮度 的百 分比为 ，30％红色 、 59％绿色、11％蓝色。基于这一事实，可以两行模式 选择写入蓝色和红色子帧 ，而绿色子帧则以全分辨 率模式写入。为进一步减 少分辨率损失 ，可在相邻的 图像帧内，交替使用奇行或偶行信息写入。通过采用 这种措施 ，不会损失蓝色和红色的总分辨率 ，只是降 低 了最高分辨率对应的 MTF。当蓝色和红 色同时使 用两行模 式 时 ，减 少 写入 时 间约 33％ ，在 帧率 100Hz条件下 ，照明 占空 比从 11％提高到 17％。

      检验 了选择性两行写入模式的视觉效果。裸视 没有观察到明显的图像质量下降。  

3_2 驱动 电压极性变换

       在给定的写入时问内，较低的帧频率有利于实 现高照明占空比。但是，低帧频率会引入伪差 ，其中 之一 就是 闪烁 。 

      为避免离子迁移损害 电极 ，加在 LCOS单 元的 电压不应有净直流 电压。因此 ，驱动 LCOS面板的电 压应该在相邻的两帧之间变换极性。难免的缺 陷使 得液晶响应呈非对称性 ，导致调制率为 1／2图像帧 频率的闪烁 。实际上 ，认 为高达 100Hz的图像帧频 率是抑制恼人的闪烁 的最低频率。 

      如果在 当前子帧的中间切换驱动电压的极性 ，闪 烁调制率和帧频率就相同了。面板高速写入，允许以相 反极性，在当前子帧时间内，对面板写入与当前相同的 信息。由于 LC只响应 RMS电压，且因液晶响应慢，故极性变换不会带来任何不良后果。极性变换已经成功 应用，而且通过调制率加倍基本上抑制了可见闪烁。

       随着在子帧上极性变换的应用 ，照 明占空比从 两行模式和帧率 1OOHz条件下的 17％，提高到在帧 频率 60Hz条件下的 22％并抑制了闪烁。 

4 系统 集成 及性能

      整个系统设计如图 5所示 ，完整的系统照 片如 图 6所示。与传统光引擎相 比，投影机非常紧凑，元 件较少，没有可移动部件。成像场镜用来匹配照明孔 径和投影镜头孔径 ，投影镜头使用商用相机物镜 。为 了散热 ，每一个 LED阵列安装了 2in×2in带风扇的 热沉。系统的参数列于表 2Io 

      基于 系统 的光束扩展量 ，LCOS投影机 的光输 出似乎比不上采用 DLP技术的投 影机。这主要归因 于逐行扫描架构限制了可用 的照明 占空 比。但如果 考虑面板尺寸 ，两者的差距并不那么大。LCOS面板 具 有更低 的工作 F样，允许更大 的光束扩展 量 ，反过 来对偏振光转换损耗有所补偿。

5 结论 

      我们示范 了一 种 以 LED为光源 的单板 LC0S 彩色 HDTV投影机 ，输出高于 401m，按面板 尺寸计 算，接近 0．1lm／mm 。设计充分利用 了 LED的特性 ， 如高瞬时输出，兼容高效率 光收集器和保持光束扩 展量的偏振光回收。也改进 了驱动方式，以便克服 由 现有 LCOS逐行扫描架构带来的限制。投影机提供 的光输出进一步可提高到 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 帧加 载 方式的 LC0S面板增加 40％。