（光学工程专业论文）基于lcos投影显示的led照明设计与应用.pdf

基于l c o s 投影显示的l e d 照明设计与应用 摘要 l 固新型光源馋为投影显示器件的照明光源是现在研究的一个重点，硅基液 晶( l c o s ) 技术是一种新型的微显示器件，它以高分辨率、高效率在微显示领域 有广阔的发展前景。本课题根据l c o s 调制芯片的特点，将大功率、高亮度l e d 新型光源应用到投影光枫中，完成了l 髓鳃专用驱动电路，控捌电路、保护电路 的设计，并将l e d 光源应用到l c o s 整机中，对整机的光学性能进行了测试和分 析。完成的主要工作如下： 首先，介绍了大功率、高亮度l 秘的结构特点，阐述了当魏微显示技术的研 究重点，以及当前流行的微显示光学引擎的架构，分析了l e d 光源和l c o s 调制 芯片结合的新型光机设计的突出优势。 英次，奔绍了在显示孛用舞的相关光度学、色度学方面的理论，以及投影显 示方面的重要理论和相关的计量参数。 最后，对大功率、高亮度l e d 进行了详细的分析，结合其特性，设计了专用 的驱动电路，分析了电路的各部分理论，计算了电路参数。完成了对整个光源照 明模块的控制电路设计、驱动电路设计、电流调节电路设计、过压过流保护设计、 过温保护电路的设计以及对散热问题的讨论研究，保证了l e d 工作的稳定性，以 及驱动电路的离转换效率。对背投电视整机的光学参数进行了理论计算，完成了 整机样机的搭建，测最了具体参数并对当前样机的性能进行了分析。 对l e d 模块和整机输出都做了相关的测试，得到l e d 驱动电流输出可以从 l o a 。3 0 a 线性可调，测得r g b 三色乙髓的导通电器分别为：2 9 v ，5 唾￥和5 1 ￥， 基本能保证l e d 的稳定工作状态，从测量驱动电流最大、最小值得到电流的纹波 小于1 0 ，基本达到了设计的要求。分别测量了三色l e d 的光通量输出，在工作 状态三色乙e d 总的输激光通量大于4 2 0 0 l m 。对整机的测试结采为：样机的最大 亮度8 3 。7 e d # ，最小亮度为6 5 3e d 岔；亮度均匀性为7 8 左右；光机的输出 大约为5 0 a n t i 流明；色域达到了9 0 以上。 从理论计算和实验结果两个方面对l e d 照明模块傲了分析，虽然实际的效果 和理论计算存在定的差异，健为下一步工作找到了攻关点，对高亮度l e d 应思 于l c o s 高清显示的深入研究开发和应用推广奠定了一定的基础。 关键词：硅基液晶；高亮度；发光二极管；脉宽调制；驱动控制电路； n t h ea p plic a tio no fl e o sp r o j e c tio ndis pla yb a s e d 。nt h e l e diig h tjn gd e sig n a b s t r a c t l e d 舔t h ep r o j e c t o rl i 曲ts o u r c ei su pt 0t h em i n u t et ot h ew h o l ew o r l d ，a n d “、o si s 鑫跚i s 魄l e 妇o l 罐黟f o rl l s i 鼗g 迹趱i e 鳓委s p l 琴yh 汪g h i g 是臻s o l 硅涵珏， h i 曲b d 曲纽e s sa n dl o w s t 幻伪s o m 睨t 色i sp r o j w _ n lp r o p o s et k 越曲 b r i 曲t n e s s 鳓dc o i o r f u ll e ds o u r c ca p p i i e di n o sm i c r 0d 刚a ys y s t e mf o rt h e p 毽牮o s eo fr e s 跌v 遗g 饿ep r o 蜣锄sc a 疆s c d 砖缸稍i l i o n a 王s 魏 c e 。毡t l l 主sp a p e r 蟠n 蝴p l e t e a nn e w 强v i 鹚c i r c u 娃o ft h e 比da n d a s s o c i a t e d n t r o l l i n ga n dp r o t e c t i o n c i r c u i t 融s ，l h es 锄e t u 站，o p t i c 鑫lp 蛀鼗c i p l e 鞠矗m 斑s t r e 鼬o fh i 曲- p o w 髓l e d 勰 i 嬲o d u c e 出曩l em i e r od i 印l a y 姆妇l o b g y 勰d c o so p t i c 酿e n 参n ea r es _ 纽d i e d 。虱l e ( 沁m p o n e n t st h a tm a k eu pt 1 1 es y s t e ma n dt h em e “t sb r o u 曲tb y 墙en e ws t r u c t u r ea 锄采y z e d th l 曲l i 曲t 氇e 蠢d 谨n l ：l g c s 醴u s i 荭g 膳d 抽毛s 蕊i c r od i s p l 8 ya f e e x p k i n e d t h e n ，t h et h e o 拶o ft h gi i 曲t ，v i s i o na l l dc h o m ai sa i s op r e s e n t e d ，w k c hi sv e r y 池p o r t 稚ti n 强ep f o c ：e s so fp r o j e 霞i o 琏d i s p l 学 黜l 蔽，ad 。域l e da n a l 羚i si se 翻甜滩w 浊t h e ：p e 哟凇强c eo f 她越曲 b r i 曲t n e s sl e d ，a n dw i l lb ea c h i e v e dt h ed e d i c a t e dc i r 嘶td e s 酒a tt h ep o i n to f 珏d 毽p e f f 6 蕊跹，鞭l ep 渤c i p l e 醴s e v e r a ld v 主赶g 瓣e t 蠹o da r e 瑟趣瞄e d 黼dt h e s p e c 蕴cp 8 r 羽您e 姥辐o f 蛀跫c 奴髓la 托翻鼬l a 氛避遗& t a i l 弧ep 蠢鼓c i p | eo fp w m s i 韶a l sa d j u s 虹n gu m 嘶曲tj sa 1 1 a l y z e d a n dan e wt y p eo fh e a tp i p er a d i a t o ri s e x p l a i n 砸t h 尊t h e 蕊a lp r o b l e mo fh i 曲b 积班t n e s s 窿di ss o l v 甜愆lo f 证ed e s i 韶s 蹴w o 撼g 主n 戚e rt o 强s u r e 氇es 泌潍yo 旺属d 。细do p 螽c a l 蕊 诚a 圭过硝l h 氇e p r e - s e tv 如eo n 也er 期i sa c c o m p l i s h c d ：i nt h i sp a p e r a n dc o m p l e t e 也ep r o t o t y p e m a c h i n e 弧es p e c i 舶p a 娜l e t e r sa r em e a s u r e da n dt h ep e f f b 珊a n c e 锄a l y z e d0 f 像e 0 戤y p em a c 蠹i i l e i nt h i st h e s 主s ，也e 慨t so n h e 址dm o d u l ea n dt h ew h o l es e to u t p u t t 吨h a v e b e e nc a 币e do u t ，w h i c hd e m o n s t r a t et h a t ，t h eo u t p u tc l l 聃n t0 fh 渺耐v 弛gi s 蜘e 硝y i h v a r 姐n g 舶m1 0 a t o3 0 a ；t h ev o l t a g eo fr g bt h r e e c o l o r e dl e di s2 9 v5 4 va i l d 5 1 vr e s p e c t i v e l y ；t l l ec i l 玎e n tr i p p l eo nt h e 嘶v i l l gi sl e s st h 如1 0 t h ed a t aa b o v e i n d i c a t e st h a tt h el e dc o u l db ek e p ti i ln o 衄a ls t a t e m e n ta st h ed e s i g n i l la d d i t i o i l l u m i n o u sf l u xo ft h et h r e e - c o l o r e dl e di sm o r et h 翘4 2 0 0 l m a n e ra l l ，t h e m e a s u r e m e n t so ft h ew h o l es e t 锄c ：t h em a _ x i m u mm u m i n a t i o ni s8 3 7 c i i m 2 ，t h e m i i l i m u mi u u m _ i n a t i 锄i s6 5 3 c d m 2 ；t h eh o m o g e n e i t yi sa b o u t7 8 ；t h eo u t p u t t i n gi s a b o u t5 0 伽l m ；c o l o rg 锄u ti sm o r et 1 1 狮9 0 t h ei l l u m i 衄t i o nm o d u l eo fl e dh a sb e e na n a l ) ，z e d0 nb o t ht h ec a l c l l l a t i o na i l d t h ee x p e r i m e n t t h e r ei st h ed i 能r e n c eb e t 、 r e e nt h ec a l c i l l a t i o na n dt h ea c t u a l h o w e v e r ，s u c hd i 骶r e n c ei sm e a j l i n g f u l t ot h eh i 曲- l u m i l l a n c el e d f o rl c o s - h d t a n di sf u n d 锄e n t a lt ot h ef u n h e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d ：l c o s ，h i 曲b r i g h t n e s s ，l e d ，p w m ，d r i v i n ga n dc o n t r o lc 硫u i t i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特嬲加以标注和致谢的地方外，论文孛不包含其 健人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 洼l 麴遗盔基丝霞墨缱趔崖疆数乙奎拦亘窒或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说瑷并表示谢意。 学位论文作者签名：每睁# 鸯笋遗签字目期：7 年善胃令嚣 学位论文版权使用授权书 本学垃论文作者完全了解学校有关保留、使瘸学位论文蛉规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影露、缩牵或扫接等复涮手段保存、汇编学蕴论文。同时授权孛晷科学技术蕴息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：括e 毯事国 签字日期卅“月细 导师签字： 签字固期：1 删母易月相 基于l c o s 的l e d 照明模块设计 1 前言 1 1 投影显示的发展历程 进入二十世纪以来，显示技术作为人机联系和信息传输的窗口广泛应用于娱 乐、工业、军事、交透、教育、航天科技、卫星遥感和医疗等各个方面，显示产 业已经成为电子信息工业的一大支柱产业。投影显示是指由平面图像信息控制光 源，利用光学系统和投影空间把图像放大并显示在投影屏幕上的方法或装置。7 0 年代3 鹾推出全球第一款商品化投影机( 渊p - o v e r 珏e 稚p r o ：；e c t o r ) ，可以配合 投影片的更换，将投影片的内容以清曦的影像，放大投影至墙蘧或者投影屏幕上， 轻松的将报告的内容传送给观众，改变了人与人的沟通方式，随后发展的是三枪 c 灯( 阴极射线显像管) 式投影技术，它可以使动态的投影两面呈现在观众的面 前。随蓑光学投影技术的发展，微显示型投影技术在最近几年之内取锝了非常显 著的技术突破，从2 0 0 2 年开始，微显示型背投电视( m d r p t v ) 已经开始陆续走 进家庭湖。 。2 徽显背投技术的分类 当麓微显背投电视主要有l c d ( 液晶) 、d l p ( 数字光显处理技术) 以及l c o s ( 硅基液晶) 背投电视这三种。 微显示投影技术是在1 9 9 0 年前后开始兴起的大屏幕显示技术，开始多用予 前投影机，近年来逐步发展并广泛应用于大屏幕背投电视，微显背投技术从成像 原理上实现了像素平面分布。微显背投是以l c d 、d l p 以及l c o s 等各类微显示芯 片为核心，利用光学引擎把微显示芯片产生的l 英寸见方的影像投影放大成4 0 英寸以上的图像，它是一种光、机、电、材料以及半导体技术一体化的新型显示 技术，普遍被认为是性价比最高、大尺寸、高分辨率的投影显示技术。微显示投 影技术具有以下特点：显示器件的成像模块尺寸小；可显示信息量大；非誊视显 示方式2 q 1 。 1 2 1l c d 投影技术 在投影显示技术中，l c d 投影技术是最为成熟和发展较旱的一种技术，在投 影方面拥有大量的市场和坚实的技术基础，找d 衬底材料选用的是石英板，藏本 基fl c o s 的l e d 照明摸块设计 太高，目前生产l c d 芯片技术比较成熟的是日本“1 。 图卜l 为典型的三片式l c d 投影系统示意图，由光源发出的光经反射碗后， 再通过复眼积分器、偏振转换系统和分色系统将白光分为红、绿、蓝三色光，分 别照在红、绿、蓝三块液晶面板上，图像信号由驱动电路写入三块液晶面板，控 制图像信号的调制，然后通过舍色棱镜合成彩色图像信号，最后通过投影物镜投 射到屏幕上完成彩色信号的显示。 i * a 4 1 3 。j 4 j i h 图卜l 三片式l c d 投影系统 l c d 投影技术相对来说技术比较成熟，其优点在于两片互相正交的偏振片之 间仅有l c d 面板，不会像l c o s 投影技术中所遇到的复杂的偏振问题，l c d 芯片 的制造工艺相对来说也比较成熟，故萁在技术和价格的发展空间上相对较小。因 为l c d 投影显示工作在l c d 面板的透射模式下，作为像素点开关控制的三极管被 放置在l c d 面扳的相应位置上，三极管自身要阻挡部分的入射光线，因此开口率 ( 像素有效显示面积) 不高，而且由于液晶本身的物理特性，决定了它的响应速 度慢，随着时间的推移，性能也会有所下降。在高速显示中会出现拖尾现象，亮 度不够高，显示不够均匀，可视角度小，显示不够清晰等，这些缺点都制约了 l c d 投影技术在高端显示领域中的应用。 122d l p 投影技术 d ”投影技术近年来得到了迅速发展，在各种投影显示中得到了广泛的应 用，所占有的市场份额不断增大，相对于l c d 投影技术而言。d l p 投影显示技术 的优点是画质细腻，对比度高。d l p 投影显示系统主要分为单片式和三片式，三 片式系统结构复杂，成本高，主要应用在对显示要求比较高的场合，现在市场上 常见的d l p 投影主要以单片式为主。 基于l c o s 的l e d 照明模块设计 d l p 数字光处理机，是基于数字微反射镜器件d m d 的微转动来调制光线的开 关而得到投影显示的方法，d l d 是d l p 显示技术的核心与基础，d m d 芯片上有数 十万片的小镜片，每个芯片可作最大正负十度的角度改变，图像信息便是由这些 微小镜片的不同反射角度调制完成的嘲。图卜2 是典型的单片式d l p 投影系统示 意图，在此系统中用色轮完成全彩色投影图像，当色轮旋转时，红、绿、蓝光线 顺序的透射到d m d 芯片上，色轮和视频图像是同步进行的，最后由入眼来完成彩 色视频图像。 但是d m d 是德州仪器公司独家的专利产品，所以对于生产厂家来说成本较 高，单片d m d 利用时序方式同时实现灰度和颜色的显示还有一定的困难，产品易 于产生灰阶轮廓欠缺，像素数字噪声大，近距离观看较为明显盯吲。 f o i 图1 - 2 单片式d l p 投影系统 1 2 3l c o s 投影技术 在当前的主要投影显示技术中，l c o s 是一种新兴的技术。它的基本技术大 部分源自l c d ，但是由于它的象素点较小，能够提供更高的解析度，在实际表现 上已经超过l c d 。l c o s 在家庭影院方面具有巨大的潜力，但目前产品种类还比较 少。l c o s 从l c d 和d l p 上继承了很多好的技术特点，和l c d 一样，l c o s 显示屏 上的每个象素点也是由液晶体组成，液晶体通过扭曲的方式来过滤通过的光线； 但是l c o s 的液晶体不是像l c d 一样被包在两层玻璃之间，而是位于硅基表面； 和d l p 一样，l c o s 也是光源发出的光线被芯片反射到屏幕上成像。l c o s 投影系 统也是有三片式和单片式系统之分。 ( 1 ) 三片式光学引擎 3 基f u ：o s l e d 月目横块设” 三片式是将光源经分光棱镜将光束分为红、蓝、绿光后，再分别将光束投射 入三片l c o s 面板，将投射出的三色图像经过合光系统加以结合形成彩色图像， 系统结构图如图卜3 所示。由于三片式l c o s 光学引擎除了需要三片面板外，并 涉及多项的分光、合光光学系统，因此体积较大、成本也较高。不过由于可以达 到较高的光学效率，又具备高画质的特性，因此主要是朝高阶的专业用途发展。 主要的产品以j v c 的多款产品为主，除此之外，三片式光学引擎还有c 0 1 0 r l i n k 采用的c 0 1 0 r 0 u a r d 架构、p h i l i p s 的p r i s m 架构，致伸发展的d 1 c h r o i c p b s 架 构，及u n a x i s 的c 0 1 0 r c o r n e r 架构等等。 卜3 三片式l c o s 光学引擎结构 ( 2 ) 单片式光学引擎 单片式c o l o rw h e e l 光学引擎则是以快速旋转的色轮( c o l o r s w i t c h ) 将白光 循序分解为红、蓝、绿光，并将三原色光与驱动程序生成的红、蓝、绿画面，同 步形成分色图象，再藉由人眼视觉暂留的特性，最后在人脑生成彩色的投影画面， 类似的技术有：d i s p l 州t e c h 发表的f 1 e l ds e q u e n t i a lc 0 1 0 r 、p h n i p 所采用 的s c r o l l i “gc o l o r r o t a t i n gp r i s m 架构、及“c 采用的s p a t l a lc o l o r h o l o g r a l n 架构，系统结构图如图1 4 所示。单片式的最大优点是面板数仅需一 片，加上分光、合光的系统架构比较简单，因此在成本上较具竞争优势，而且光 学引擎的空间也相对较小。然而当前在技术上面临一些困难以c 0 1 0 rw h e e l 而言，白光经偏振分光棱镜后的能量仅为先前的l 3 ，亮度明显降低：此外，由 于l c o s 面板需在红、蓝、绿画面快速的切换下台成图像，因此面板反应速度的 要求更高，使得生产的难度也相应提高。 基于l c o s 的u d 照明模块设计 偏振分光棱镜 图卜4 单片式l c o s 光学引擎结构 1 3l c o s 投影技术优势 l c o s 投影技术的显示优势主要体现在以下几个方面睁1 3 1 ： ( 1 ) 光利用效率高，l c o s 与l c d 投影显示器类似，主要的差别就是l c o s 属反射式成像，所以光利用效率可达4 0 以上，与d l p 相当，而穿透式l c d 仅有 3 一1 0 而已； ( 2 ) 体积小，l c o s 可将驱动i c 等外围线路完全整合至c o m s 基板上，减少 外围i c 的数目及封装成本，并使体积缩小； ( 3 ) 分辨率高，由于l c o s 的晶体管及驱动线路都制作于硅基板内，位于反 射面之下，不占表面面积，所以仅有像素间隙占用开口面积，不像穿透式l c d 的t f t 及导线皆占用开口面积，故理论上l c o s 不论分辨率或开口率都会比穿透 式l c d 高，分辨率普遍达到s x g a 等级( 1 2 8 0 1 0 2 4 ) ； ( 4 ) 制造技术较成熟，l c o s 的制作可分为前道的半导体c m o s 制造及后道 的液晶面板贴合封装制造，前道的半导体c m o s 制造已有成熟的设计、仿真、制 作及测试技术，所以目前良品率已可达9 0 以上，成本极为低廉；另外，后道的 液晶面板贴合封装制造，虽然目前的良品率只有3 0 ，但由于液晶面板制造已发 展得相当成熟，理论上其良率提升速率应远高于d 肋芯片，所以l c o s 应比d l p 更有机会取代穿透式l c d 投影，成为投影显示技术的主流。 此外，l c o s 还有一项优点，就是无专利权的问题，而h t p s l c d 目前是s o n y 及s e i k oe p s o n 拥有专利权，d l p 则是t i 的独家专利。现在台湾的工研院光电 所也已成功开发出l c o s ，并正在申请专利中。由于台湾的半导体产业基础雄厚， a u r o r a 及k o p i n 就曾委托台湾的联电及联友光电代工l c o s ，所以台湾业界一直 5 基于l c o s 的l e d 照明模块设计 寄希望发展l c o s 技术作为其发展投影产品的最佳选择n 卜1 7 3 。 目前以上的三类主流微显示投影技术绝大多数采用高压汞灯作为光源，这种 光源在寿命等方面的缺陷成为制约大屏幕微显示背投电视大量推广应用的重要 因素之一，所以发展低成本、高质量的新型背投电视照明光源成为了当务之急。 1 4 高亮度l e d 的发展技术及其优势 1 4 1 投影系统光源简介 目前微显示背投电视的应用光源主要为高压汞灯和金属卤素灯。 高压汞灯作为微显示背投电视的光源存在以下主要缺点n 引： ( 1 ) 寿命短，仅几百到几千小时之间，功率越大、寿命越短。如微显示背投 电视中常用的标称寿命( 衰减5 0 时间) 为6 千小时的1 2 0 w 高压汞灯，实际使用 寿命大致在2 3 千小时之间，电视生产厂商一般给予用户6 个月的保障； ( 2 ) 价格昂贵，1 2 0 w 高压汞灯的市场价在3 0 0 0 元只以上，加上灯的寿命因 素，导致了相当高的光源使用成本； ( 3 ) 存在有害光线，高压汞灯的光谱中含有大量红外、紫外光，滤波处理可 以去除大部分有害光线，残留光线仍对敏感元件造成伤害，尤其以液晶器件为甚， 大大降低了整机的使用寿命： ( 4 ) 色平衡较差，高压汞灯的色温在8 5 0 0 k 左右，与理想的太阳白光( 6 5 0 0 k ) 有相当的距离。 金属卤素灯泡发热高，对背投电视散热系统要求高，不宜做长时间( 4 小时 以上) 投影使用。金属卤素灯产生暖光，要求较大功率才能产生与高压汞灯同等 的光度，使用寿命较短，与高压汞灯不同的是，金属卤素灯损坏时表现为渐渐熄 灭。金属卤素灯泡的优点是价格便宜，缺点是半衰期短，一般使用1 0 0 0 小时左 右亮度就会降低到原先的一半左右。 现阶段的主流投影电视主要采用的u h p ( u l t r ah i g hp e r f o r m a n c e ) 光源伊3 是飞利浦公司使用超能光技术对高压汞灯进行改进，延长使用寿命，标称值可达 1 0 0 0 0 小时以上，但光源供应商对u h p 灯提供的失效率( 失效定义为光源的输出 光通量小于初始光通量的5 0 9 6 ) 显示，大约5 0 的灯在1 0 0 0 0 小时内失效，即只有 5 0 的灯能工作1 0 0 0 0 小时以上。u h p 光源是飞利浦公司的专利产品，价格比较 昂贵，在实际使用过程当中造成消费负担，而且u h p 灯仍然存在高压汞灯的许多 6 基于l c o s 的l e d 照明模块设计 不足之处。 鉴于上述原因，高压汞灯的替代光源问题显得十分突出，随着大功率l e d 的出现，恰好解决了这一闷题，高性链l 髓在许多方面都比馨潆等的表现出色。 1 4 2 高亮度l e d 光源的发展及其技术优势 l e d 发明于2 0 世纪6 0 年代，它是利用半导体材料中的电子和空穴相互结合 释放出能量，使得能量带位阶改变，以发光显示它所释放豹能量。l 翰具有体积 小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、反应速度快、耐震性能等优点，被广泛应 用于信号指示、数码显示等领域o u 。 随着科学技术的不断进步，大功率、高亮度乙髓的研制成功，使它越来越广 泛的应用于彩灯装饰，甚至是照明、微显示器件光源领域。由于高亮度l e d 具有 如此广泛的应用前景，各大公司投入很多力量，对高亮度l e d 的各项技术进行研 究开发。 单芯片碍级功率l 固最早是由l u 掇i l e d s 公司于1 9 9 8 年摧= 出的l l j x e o nl 印， 该封装结构的特点是采用热电分离的形式，将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉 上，并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料，现在单芯片技术 可以提供l 鞣、3 鞣以及s 转的大功率l 固。o s 嬲公司于2 3 年推出单芯片的“g o l d e n d r a g o n 系列l e d ，其结构特点是热沉与金属线路板直接接触，具有良好的散热 性能，而输入功率可以达到l w 。 多芯片组合封装的高亮度l 鼢，其结构和封装形式毖较多样。美国u 既公司 于2 0 0 1 年推出了多芯片组合封装的n o r l u x 系列l e d ，其结构是采用六角形铝板 作为衬底。l a n i n ac e r 硼i c s 公司于2 0 0 3 年推出了采用公司独有的金属基板上 低温共烧陶瓷( 班c e 一麓) 技术封装的超赢亮度l d 阵列。松下公司子2 0 0 3 年推 出由6 4 只芯片组合封装的超高亮度白光l e d 。日亚公司于2 0 0 3 年推出的白光 l e d ，其光通量可达6 0 0 l m ，输出光束为1 0 0 0 l m 时，耗电量为3 0 w ，最大输入功 率为5 0 鬻，提供展览的宣光l 髓模块发光效率达到了3 3 王臻腭渊。 可见随着l e d 技术的迅速发展，其亮度和效率都在不断的提高，l e d 新型光 源已经成为u h p 光源的有力竞争对手。2 0 0 6 年，三星和雅佳推出了内含l e d 新 型光源技术的0 渖数字高清电视，初步解决了微显示背投毫褫的光源寿命润题。 相对于传统光源，高亮度l 髓作为微显示器件的光源有以下主要的优势： 7 基于l c o s 的l e d 照明模块设计 ( 1 ) 色域广，l e d 本身发出r 、g 、b 基色光，谱线带宽比较窄，基色光比 较纯，因此在色品图上，l e d 所构成的色域三角要比传统光源的大，能够显示更 加丰富的颜色，色饱和度高，彩色再现能力强。 ( 2 ) 色平衡好，系统的色平衡可以运用三基色l e d 的开关时间来合理的配 置实现，能轻松实现所要求的白平衡。 ( 3 ) 光能利用率高，无需使用色轮或分光系统，因而在形成彩色图像过程 中的光能和画质损失小。 ( 4 ) 体积小，节约投影引擎空间，有利于小型化和轻量化。 ( 5 ) 无有害光线，l e d 的光谱主要集中在可见光部分，无紫外光，相对能 引起发热的红外光线也较小，是绿色环保光源。 ( 6 ) 寿命长，l 即是固体发光器件，具有很长的使用寿命，一般l e d 的使 用寿命都标注在五万小时以上。 ( 7 ) 光源使用成本低，由于光源的使用寿命长，随着技术的发展，价格也 在降低，故综合成本很低。 ( 8 ) 功耗低，l e d 是低功耗器件。 ( 9 ) 开关速度高，l e d 的开关速度很快，一般标注在n s 级数，故可以允许 更高的刷新率，为新的彩色方式建立了前提条件。 ( 1 0 ) 无需预热，l e d 可以快速启动，解决了现在使用传统光源开机预热时 间长的问题，真正实现了瞬时开机。 1 5 国内外的研究进展状况 国际上对于l e d 为光源的投影系统研究主要集中于袖珍型投影机和背投电 视，袖珍型投影机的目标是小体积、使用电池，输出光通量在十几个流明：背投 电视的目标是实现2 0 0 流明以上的输出光通量，对体积没有特别要求。 在袖珍型投影机方面，2 0 0 3 年，l u m i l e d 公司的m h k e u p e r 等人研制了几 种形式采用大功率l e d 的液晶投影机样机，输出光通量为4 4 1 1 5 流明嘲1 。 在背投电视方面，2 0 0 5 年5 月在美国的s i d 展览会上，3 m 公司展出了一种 屏幕尺寸为5 0 英寸的d l p 投影机，光通量输出为8 0 流明；在“2 0 0 6 年国际消 费者电子产品展”上日本j v c 展出了一种采用l e d 光源的4 3 英寸背投电视，样 机采用了3 片该公司开发的l c o s 芯片“d i l a ”，屏幕亮度为4 0 0 c d i i l 2 。在日本 8 基于l c o s 的l e d 照明模块设计 的高新技术博展会上，索尼和j v c 都带来了最新的l c o s 微显示电视，表现尤为 突出的是j v c ，不仅带来了l l o 英寸l c o s 电视，这超大尺寸超越松下的1 0 3 英寸筠p ，使其成为最大的电视机释，霖且为解决背投影电视的厚度问题，改良 投影光路使6 0 英寸背投影电视厚度由4 3 4 厘米缩减为2 7 厘米，大大提升了与 液晶和等离子的竞争机会。鉴于背投电视的巨大市场，目前的主要投影公司大都 在这方面有磷究计划，但是市场主还没有成熟的针对己鞠光源的背投电视，可商 熙化的产品还没有广泛的在市场推广。 在专利技术方面，关于l e d 新型光源在投影显示方面的技术专利主要集中在 西本和美匡，但是专铡数量还不多，比趋数于项投影机方面的专利还有很大的距 离，也表明了这项技术的研究处于起步阶段。 在国内，研究工作主要集中在l c o s 微显示方面，主要原因就是因为l c o s 的专利技术还没有被国际各大公司垄断，在l c 瞒高清显示方面，隧前全球市场 微显示电视风头正劲，据估计，从2 0 0 5 年到2 0 l o 年，l c o s 微显示电视的年增 长率将达4 0 。因此现在研究设计基于l e d 光源的l c o s 微显示投影系统，对我 图微显示技术的进一步发震和推广具有重要的学术意义和市场价值。 1 。6 论文内容及耄节安排 本文主要目的是将高亮度l e d 应用到l c o s 微显示背投电视中，对高亮度l e d 作为投影显示用光源做了较为深入的研究，主要完成了高亮度l e d 的驱动控制电 路设计，散热设计，稳压过流保护电路；根据骜投电视的结构，对l 豳照明模块 的参数进行了理论计算，措建了实验样机，并对样机的参数做了进一步的测试分 析。本文的主要结构： 第一章主要分析了投影显示的分类以及各窦的结构特点，比较了传统光源和 l 国的优缺点，分析了l e d 微显示投影的现状和发展前景。 第二章分析了光度学、色度学和光学扩展量的理论，是投影显示方面必不可 少的光学理论基础。 第三章针对投影显示对光源的要求做了分析，详缨分析了孙l a t l i 曲t 光子 晶体l e d 的特性，提出了投影照明模块的整体设计方案。 第四章是本文的设计核心，包括了l 粉的驱动分析，理论计算，完成了l e d 的驱动电路、控制电路、保护电路、调光电路等的设计。 9 基于l c o s 的l e d 照明模块设计 第五章对实验样机的参数做了理论计算和实际测试，分析了样机的性能，对 设计工作的不足进行分析。 第六章是对全文的总结，指出了工作的不足，并对下一步的工作进行了展望。 1 0 摹f 比o s l e d 模块最* 2 颜色表征及投影光学理论 21 人体视觉系统 眼球是最先接受到外界光信息的部位，首先对人跟的视觉系统，特别是发光 强度、颜色对人眼的作用作一下简要的论述。1 。人的眼睛近似于球状，其前后直 径大约2 3 i l l 玎，图2 一l a 给出了人跟的结构示意图，光线通过瞳孔射入跟球内，经 过晶状体在位于眼球后部内侧的视网膜上成像，角膜、晶状体、玻璃体的作用就 是使得外界物体能成像在视网膜上，而对光的强弱和颜色没有感知。视网膜是人 体的感光系统，图2 1 b 展示了人眼视网膜的结构示意图，视网膜上存在感光细 胞，它分为锥体细胞和杆体细胞。来自物体的光线经过角膜、晶状体、玻璃体等 聚焦在视网膜上，感光细胞接受光刺激，转变为神经冲动，经双极细胞和神经节 细胞，由视神经传导l 大脑视觉中枢，完成人的视觉功能。 舟2 1 i 訇2 1b 图2 1 a ，人眼剖面示意图 图2 一l b ，人眼视阿膜示意图 因为人眼的两种感光细胞( 锥体细胞和杆体细胞) 具有不同的视觉功能，所 以在外界的亮度变化时，会有不同的视觉规律。在光亮的条件下，人眼的锥体细 胞起主导作用，称为锥体细胞视觉，也叫明视觉，在明视觉条件下，锥体细胞能 分辨物体的颜色和细节；在光暗的条件下，人眼的杆体细胞起主导作用，称为杆 体细胞视觉，也叫暗视觉，在暗视觉条件下，杆体细胞能感受微光的刺激，但不 能分辨颜色和细节。在明视觉和暗视觉之间的亮度水平下，称为中间视觉，这时 既有锥体细胞参与又有杆体细胞参与共同起作用。正是由于人跟具有明视觉和暗 视觉二重功能，使得光谱光效率曲线有两种，如图2 2 所示。 基于l c o s 的l e d 照明模块设计 o o 0 0 d o 0 o o 图2 2 ，人眼视觉函数 2 2 颜色视觉特性 2 2 1 扬一赫姆霍尔兹三色学说 入眼色觉的确切机制还没有明确定论，但是，确定色觉响应是受人眼和大脑 共同支配的。扬一赫姆霍尔兹三色学说虽然不能完满解释颜色视觉现象，但是能 够很好的说明各种颜色的混合现象。 三色学说乜6 1 是由1 9 世纪的扬一赫姆霍尔兹提出的，根据红、绿、蓝三原色可 以混合出各种不同色彩颜色的混合规律，假设人眼视网膜上有三种神经纤维，每 种神经纤维的兴奋都引起一种原色的感觉，光作用于视网膜上虽然能同时引起三 种纤维的兴奋，但波长不同，引起三种纤维的兴奋程度不同，人眼就产生不同的 颜色感觉。例如，长波段的光同时刺激“红绿”“蓝”三种纤维，但是“红 纤维的兴奋程度最强烈，因此有红色的感觉，光刺激同时引起三种神经纤维的兴 奋程度相同就会产生白色的感觉。三种纤维不同程度的同时活动就产生了相应的 颜色感觉。总亮度感觉为三种纤维中每种纤维提供的亮度感觉之和。 近2 0 年来的实验结果证明人眼视网膜上确实含有三种不同视色素的锥体细 胞，通过不同学者采用眼底反射分光光度法、显微分光光度法等实验方法，测得 三种不同光谱敏感性的视色素原光谱吸收峰值分别约在4 4 0 一4 5 0 n i i i ；5 3 0 一5 4 0 册； 5 6 0 5 7 0 姗处，分别为亲蓝、亲绿、亲红视色素。外界光辐射进人眼时被三种锥 体细胞按各自的吸收特性吸收，细胞色素吸收光子后引起光化学反应，视色素被 分解漂白，同时触发生物能，引起神经活动，将视觉信息通过双极细胞和神经节 细胞传至神经中枢。视色素的漂白程度以及产生的生物能大小与此类锥体细胞吸 1 2 基于l c o s 的l e d 照明模块设计 收的光予数量有关，光子数越多，漂白程度越高。人们对各种颜色的感觉就是不 同的光辐射对三种色素不同程度的漂白的综合结果，入眼的明亮感觉就是三种纤 维细胞提供的亮度之和。 实验证明杆体细胞只含有一种视紫红色素，吸收峰值在5 0 0 n i l l 左右。暗视觉 只有杆体细胞起作用，仅由视紫红色素吸收光予，所以暗视觉不能分辨颜色，只 有羁亮感觉。 2 2 2 人眼的颜色视觉特性 颜色分为彩色和非彩色两类，非彩色是指白色、黑色和各种深浅不同的灰色 组成的系列，称为自黑系列。当物体表面对可觅光谱所有波长发射眈都在8 0 9 潞 以上时，该物体为自色：其反射比均在铺以下时，该物体为黑色；介于两者之 间的是不同程度的灰色。纯白色的反射比应为1 0 0 ，纯黑色的反射比应为o 。在 显示生活中没有纯自和纯黑的物体。对发光体来说，自黑的变化相巍于自光的亮 度变化，亮度高时入眼感到是自色，亮度低时感到是灰色，无光是黑色。非彩色 只有明亮程度的差异。 彩色是指白黑系列以外的各种颜色，彩色有三种特性：瞬度、色调、饱和度。 骥度是入嚣受对物体的明暗感觉。发光物体的亮度越高，燹l j 骧度越高；菲发光物体 的发射比越高，明度越高。色调为彩色彼此相互区分的特性，即红、黄、绿、蓝 等。不同波长的单色光具有不同的色调。发光物体的色调取决于它的光辐射光谱 组成；非发光物体的色调取决予照明光源的光谱组成和物体本身的光谱发射( 透 射) 的特性。饱和度是指彩色的纯洁性。可见光谱中的各种单色光是最饱和的彩 色。物体颜色的饱和度取决于物体反射( 透射) 特性。如果物体发光或者反射光 的光谱比较窄，它的饱和度就高。 2 3 混色理论 2 3 1 混色原理 在混色系中，以最单纯的形式表示颜色，对于任意的色光，均可以通过三种 刺激光的混和褥得到与其完全楣丽的等色，那时它就能够剩用三种光刺激的混和 量去表示。在由若干个光源发出的光进行混色的场合，有两种混色方法。其一是 加法混色( a d d i t i v ec o l o rm i x t u r e ) ，即当参与混和的光成分增加时，混和后 的颜色亮度也随之按加法计算得到增加；另一种为减法混色( s 毪b j e c t 主￥ec o 王o r 基于i _ c o s 的l e d 照明模块设计 m i x t u r e ) ，即通过滤色器把色素等重复进行混色的场合，由于滤色器和色素的重 合而使光减少。这里仅就作为c i e 的x y z 表色体系基础的加法混色做一些介绍1 。 任意色的光都可以由三种颜色的光刺激经混和得到。若设某种色光为c l ， 它是由三种色刺激r 、g 、b 经适当混和后得到相等的颜色，可把这种关系写成下： ( i q ) 一( r ) + ( g ) + ( b ) ( 2 1 ) 该式称为等色式。式中，括号( ) 代表色刺激，把适当调节三种色刺激的强度从 而得到与某种色彩相等的颜色的过程，称为等色。 在加法混色的场合，已经知道下述的比例法则、加法法则、结合法则均成立， 将它们通称为格拉斯曼的第3 法则： ( 1 ) 比例法则，当色光( c 1 ) ，( c 2 ) 为等色时，将两种色光的强度a 倍后， 依然是等色。即： 若( c 1 ) = ( c z ) ，则口( q ) = 口( c 2 ) ( 2 2 ) ( 2 ) 加法法则，若色光( c 1 ) ，( c 2 ) 与色光( c 3 ) ，( c 4 ) 分别为等色时， 则它们各自相加所得的色光也为等色。即： 若( c 1 ) = ( c z ) ，( c 3 ) = ( c 4 ) 时，则有( c 1 ) + ( c 3 ) = ( c 2 ) + ( c 4 )( 2 3 ) ( 3 ) 结合法则，把互为等色的两种色光的一方，用与该色光相等的其他 色光代替后的等色式仍成立。即 当 ) = ( c 2 ) ，( c 2 ) l ( c 3 ) 时，则有瞩) = 心) ( 2 4 ) 在等色式中，对色光的数量进行增减，追加或减少新的色光，和一般的代数 式运算方法相同，是非常方便的。 假如对某色光( c 1 ) ，是由三种色刺激( r ) ，( g ) ，( b ) 混和等色而成，这时 可将三种色刺激( r ) ，( g ) ，( b ) 的混和量分别设为r ，g ，b ，在等色式如下： ( q ) = 尺( 尺) + g ( g ) + b ( 曰) ( 2 5 ) 在混色系的表色体系中，可以利用这些混和量( r ，g ，b ) 来表示某种色光， 但是，混和量r ，g ，b 的大小会因其基准量的决定因素，以及究竟选择哪三种色 刺激而有差异。在表色体系中，被确定为基准的三种色刺激称为原刺激，而且把 作为原刺激的单位量确定为用测光量表示的值，该值是由把称为基础刺激的某种 色光，经过原刺激等色时，分解成各个原刺激的强度所组成，并用测光量表示出 1 4 基于以妁s 的璩d 照明模块设计 来。 在可视区域中，若将分光能量分布均等的等能量白色光，作为基础刺激，并 置由原刺激( r ) ，( g ) ，( 8 ) 对其进行等色处理。这时设各个原刺激的亮度分别 为乓，如，。这些厶，乇，岛分别代表与基础刺激进行等色时所必要的原刺激 的量，称为亮度系数，把这些亮度系数当作各个原刺激的单位量使用。也就是说， 当把某色光c l ，通过原刺激( r ) ，( g ) ，( b ) 进行等色处理时，若设各个原刺激 的亮度分别为k ，岛，厶，则色光e 王爵焉各个