DE19925318C1

DE19925318C1 - Color image projector with time-controlled LED light sources

Info

Publication number: DE19925318C1
Application number: DE19925318A
Authority: DE
Inventors: Franc Godler
Original assignee: GLOBALPATENT CONSULTING GmbH
Current assignee: GLOBALPATENT CONSULTING GmbH
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: WO2000074390A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Farbbildprojektor, der sich durch eine große Auflösung (HDTV) bei hoher Leuchtdichte (Bildkontrast) und Farbbrillianz auszeichnet. Er kann zur Vorführung von Videosequenzen bei Demonstrationsveranstaltungen, zur Darstellung bewegter Bilder bei Großveranstaltungen aber auch im Heimkinobereich eingesetzt werden. DOLLAR A Dazu werden großflächige Arrays aus zeilen- und spaltenweise organisierten LEDs in den drei Grundfarben eingesetzt, die über einen gemeinsamen Bildgenerator und eine Steuerschaltung derart angesteuert werden, daß der Bildaufbau aus nacheinander generierten Teilbildern in den drei Grundfarben erfolgt, wobei zum Zwecke der Erhöhung der Gesamthelligkeit des Bildes, die Ansteuerung der zeilen- bzw. spaltenweise organisierten LED-Arrays dem zeilen- bzw. spaltenweisen Bildaufbau im Bildgenerator folgt.The invention relates to a color image projector, which is distinguished by a high resolution (HDTV) with high luminance (image contrast) and color brilliance. It can be used to demonstrate video sequences at demonstration events, to display moving images at major events, but also in the home theater area. DOLLAR A Large arrays of rows and columns organized LEDs are used in the three primary colors, which are controlled via a common image generator and a control circuit in such a way that the image is generated from successively generated partial images in the three primary colors, with the purpose of increasing the Overall brightness of the image, the control of the LED arrays organized in rows or columns follows the row or column layout in the image generator.

Description

Die Erfindung betrifft einen Farbbildprojektor, der sich durch eine große Auflösung (HDTV) bei hoher Leuchtdichte (Bildkontrast) und Farbbrillianz auszeichnet.The invention relates to a color image projector, which is characterized by a large resolution (HDTV) with high luminance (image contrast) and brilliant colors.

Er kann zur Vorführung von Videosequenzen bei Demonstrationsveranstaltungen, zur Darstellung bewegter Bilder bei Großveranstaltungen aber auch im Heimkinobereich eingesetzt werden.He can be used to demonstrate video sequences at demonstration events, to display moving images at major events but also in Home theater area can be used.

Zur Großbildprojektion werden in der Regel verschieden Bildgeneratoren, wie LCD's, DMD's, DILA's ILA's, aber auch noch Bildröhren und Endophorgeräte verwendet. Bei den nicht selbstleuchtenden Bildgeneratoren werden als Lichtquelle eine oder mehrere Lampen verschiedener Typen, z. B. Halogenlampen oder Xenonlampen verwendet.Different image generators, such as LCDs, are generally used for large-screen projection. DMD's, DILA's ILA's, but also picture tubes and endophore devices are used. In the case of the non-self-illuminating image generators, one or several lamps of different types, e.g. B. halogen lamps or xenon lamps used.

Um Farbbilder darzustellen werden entweder direkt ein Farb-TFT-LCD (transmissiv oder reflexiv) oder für jede der drei Grundfarben ein eigenes monochrom-LCD benötigt, wobei in diesem Fall die entstehenden Teilbilder zur Darstellung des Gesamtbildes in geeigneter Weise optisch zur Deckung gebracht werden müssen.To display color images, either a color TFT-LCD (transmissive or reflective) or a separate monochrome LCD for each of the three basic colors needed, in which case the resulting partial images to represent the Overall image must be optically coincident in a suitable manner.

Eine weitere Möglichkeit bietet die Anordnung eines Farbfilterrades mit einem DMD.Another possibility is the arrangement of a color filter wheel with a DMD.

So sind Farbbildprojektoren mit einem oder mehreren LCD's bereits aus der DE-OS 31 42 664, der DE-OS 43 13 139 und der DE-OS 196 07 510 bekannt. Ihnen ist gemeinsam, daß sie zur Lichterzeugung Lichtquellen mit einem breiten Energiespektrum (weißes Licht) verwenden, das zur Erzeugung der Grundfarben durch separate Farbfilter oder farbige Displays aufbereitet werden muß, was hohe Verluste der Lichtstärke in Relation zur eingesetzten Energie zur Folge hat.Color image projectors with one or more LCDs are already from DE-OS 31 42 664, DE-OS 43 13 139 and DE-OS 196 07 510 are known. Yours common that they are used to generate light sources with a wide Use energy spectrum (white light) to generate the primary colors must be prepared by separate color filters or colored displays, which is high Loss of light intensity in relation to the energy used results.

Farb-LCD's weisen für jeden Bildpunkt drei separate Farbpixel auf, was zu einer Verdreifachung der anzusteuernden Matrixelemente führt und bei hochauflösenden Bildern außerordentlich hohe Displaykosten verursacht.Color LCDs have three separate color pixels for each pixel, resulting in one Tripling the matrix elements to be controlled leads to high-resolution ones Pictures caused extremely high display costs.

Darüber hinaus liegt die Lebensdauer der verwendeten Lampen regelmäßig nur zwischen einigen hundert und einigen tausend Betriebsstunden (Xenonlampen: max. 8000 h).In addition, the lifespan of the lamps used is only regular between a few hundred and a few thousand operating hours (xenon lamps: max. 8000 h).

Der Wirkungsgrad der Lampen liegt zwischen 20 und 60%. Damit ist bei hoher Leistung der Lichtquelle (< 200 W) gleichfalls die Verlustleistung hoch, die durch geeignete aufwendige Kühlmaßnahmen (Lüfter bzw. Kühlsysteme) abgeführt werden muß. Außerdem begrenzt die große Verlustwärme die Lichtstärke der Systeme insgesamt, da es aus technischen Gründen nicht möglich ist, Lichtquelle und Display beliebig weit voneinander zu entfernen; eine starke Erwärmung andererseits jedoch die Funktion der LCD's beeinträchtigt.The efficiency of the lamps is between 20 and 60%. So that is high Power of the light source (<200 W) also high the power loss caused by Suitable complex cooling measures (fans or cooling systems) are removed got to. The large heat loss also limits the light intensity of the systems overall, since it is not possible for technical reasons, light source and display to be as far apart as possible a strong warming on the other hand the function of the LCD's is impaired.

Aus der EP 888 016 ist bereits ein Farbbildprojektor bekannt, der LED's in den drei Grundfarben als Lichtquellen verwendet. Die Lichtquellen bestehen hierbei aus einzelnen LED's bzw. aus Arrays von weniger als 10 Einzeldioden mit einem Gesamtdurchmesser von < 5 mm. Diese Lichtquellen werden über Kollimatoren und polarisierende Strahlteiler auf ein LCD (Lichtmodulator) gerichtet, erzeugen dort über eine sequentielle oder parallele Generierung der Teilfarbbilder ein Gesamtfarbbild, das auf einem fest mit dem Gehäuse verbundenen Projektionsschirm (Mattscheibe) abgebildet wird.A color image projector is already known from EP 888 016, of the LEDs in the three primary colors used as light sources. The light sources consist of individual LEDs or arrays of less than 10 Individual diodes with a total diameter of <5 mm. These light sources are placed on an LCD via collimators and polarizing beam splitters (Light modulator) directed, generate there via a sequential or parallel Generation of the partial color images an overall color image that is fixed on the one with the Projection screen connected to the housing (focusing screen) is shown.

Nachteilig ist hierbei vor allem die geringe Gesamtlichtstärke des Systems, die auf die quasi-Punktlichtquellen geringer Intensität zurückzuführen ist, was eine Verwendung für Großbildprojektionen ausschließt.The main disadvantage here is the low overall light intensity of the system the quasi-point light sources of low intensity is due to what a Excludes use for large screen projections.

Aus der US-PS 5 359 345 ist ein Farbdisplay bekannt, das mittels zeitgesteuerter LED ein Bild erzeugt, wobei durch die Taktung der Lichtquellen eine sequentielle Farbzusammensetzung mit dem Ergebnis eines möglichst flackerfreien Bildes erreicht wird. Da die maximale Gesamthelligkeit durch Verlustleistung der eingesetzten LED begrenzt wird, ist ein Projektor auf diese Weise nicht realisierbar.A color display is known from US Pat. No. 5,359,345 which is operated by means of time-controlled LED creates an image, whereby a sequential through the clocking of the light sources Color composition with the result of a flicker-free picture is achieved. Since the maximum overall brightness due to power dissipation used LED is limited, a projector can not be realized in this way.

Es stand also die Aufgabe, einen Farbbildprojektor zu beschreiben, der eine hohe Gesamtlichtstärke bei nur geringer Verlustwärmeentwicklung aufweist und für die Projektion von farbigen Großbildern bei hoher Bildauflösung (HDTV) geeignet sein sollte, wobei die Lebensdauer der Lichtquellen groß sein sollte.It was therefore the task to describe a color image projector with a high Total light intensity with only little heat loss and for Projection of large color images with high image resolution (HDTV) may be suitable should, the life of the light sources should be long.

Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe durch einen Farbbildprojektor mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.According to the invention, the object was achieved using a color image projector Features of the claims solved.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments become.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Anordnung von LED's in einem Array Fig. 1 arrangement of LEDs in an array

Fig. 2 Projektor mit transmissivem monochrom-Bildgenerator Fig. 2 projector with transmissive monochrome image generator

Fig. 3 Projektor mit reflexivem monochrom-Bildgenerator Fig. 3 projector with reflective monochrome image generator

Fig. 4 Projektor mit reflexivem monochrom-Bildgenerator unter Verwendung von nur zwei strahlteilenden Abbildungselementen Fig. 4 projector with reflective monochrome image generator using only two beam-splitting imaging elements

Fig. 5 Projektor mit transmissivem Farbbildgenerator Fig. 5 projector with transmissive color image generator

Fig. 6 Projektor mit reflexivem Farbbildgenerator Fig. 6 projector with reflective color image generator

In Fig. 1 ist eine Lichtquelle, die aus einem großflächigen Array von LED's dargestellt, welches paralleles Licht aussendet. Das Array kann diskret oder direkt auf einem Wafer aufgebaut sein.In Fig. 1, a light source is shown, which consists of a large array of LEDs, which emits parallel light. The array can be discrete or built directly on a wafer.

Wenn eine LED die Abmessungen a, b (Höhe, Breite) hat und das Gesamtarray m, n. so erhält man
If an LED has the dimensions a, b (height, width) and the overall array m, n

l = n/b LED's pro Zeile und
l = n / b LEDs per line and

k = m/a LED's pro Spaltek = m / a LEDs per column

Damit sind insgesamt (k . l) LED's in einem Array unterzubringen. Die Verwendung von LED ist heute möglich, da ihr Wirkungsgrad enorm angestiegen ist und LED's mit einem Wirkungsgrad von η = 99% verfügbar sind.This means that a total of (k. L) LEDs are to be accommodated in an array. The usage LED is possible today because its efficiency has increased enormously and LEDs are available with an efficiency of η = 99%.

Eine solche Lichtquelle entwickelt nur geringe Abwärme und besitzt eine hohe Lebensdauer (< 10⁵ h). Die Abwärme kann mit einer kühlrippenhinterlegten Multilayerkarte leicht abgeführt werden.Such a light source develops only little waste heat and has a long service life (<10 ⁵ h). The waste heat can easily be dissipated with a multi-layer card with cooling fins.

Der Öffnungswinkel der LED bezüglich der Lichtemission ist relativ klein (< 6 grd). Legt man bei einer gegebenen Arrayfläche von 10 × 16 cm d. h. 1400 LED z. B. einen Lichtstrom von z. Zt. nur einem Lumen für eine LED fest, so kann eine Bildhelligkeit von ca. 100 ANSI-Lumen bei kontinuierlicher Ansteuerung der LED's erreicht werden.The opening angle of the LED with respect to light emission is relatively small (<6 degrees). For a given array area of 10 × 16 cm d. H. 1400 LED e.g. B. a luminous flux of z. Currently only one lumen for an LED, so one can Image brightness of approx. 100 ANSI lumens with continuous control of the LEDs can be achieved.

Sieht man für die Bilderzeugung drei solcher LED-Arrays in den drei Grundfarben rot - grün - blau vor, und erzeugt das Bild aus drei Teilbildern in den drei Grundfarben nacheinander, so kann, durch periodisches An- und Ausschalten der einzelnen Arrays unter Beachtung des Leistungsintegrals die einzelne LED mit der dreifachen elektrischen Leistung angesteuert werden, was eine entsprechende Erhöhung der Lichtleistung zur Folge hat.One sees three such LED arrays in the three primary colors red for image generation - green - blue in front, and creates the image from three partial images in the three primary colors one after the other, by switching the individual on and off periodically Arrays taking into account the power integral, the single LED with the triple electrical power can be controlled, which is a corresponding increase in Light output results.

Wird noch berücksichtigt, das sich die einzelnen LED's durch eine geeignete Steuerung auch einzeln ansteuern lassen und im Bildgenerator (LCD) das Bild zeilen- bzw. spaltenweise aufgebaut wird, es also auch möglich ist - ohne Informationsverlust - die Leistungsaufnahme der LED's im Array zeilen- bzw. spaltenweise synchron zum Bildaufbau im Bildgenerator zu steuern, so ist eine weitere Erhöhung der Lichtintensität ohne Überschreitung der max. integralen Verlustleistung der einzelnen LED möglich.Is still taken into account that the individual LED's by a suitable Control can also be controlled individually and the image in the image generator (LCD) is built up in rows or columns, so it is also possible - without Loss of information - the power consumption of the LEDs in the array To control column by column in sync with the image structure in the image generator is one further increase in light intensity without exceeding the max. integral Power loss of the individual LEDs possible.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Projektor unter Verwendung von drei solchen LED- Arrays. Das rote LED-Array 1, das grüne 2 und das blaue 3 sind wie der transmissive monochrom-Bildgenerator (LCD) 4.1 mit einer Steuerschaltung 10 verbunden, die die Bildinformationen, die sie über den Signaleingang 11 erhält, bezüglich Farbe und Helligkeit zuordnet. Fig. 2 schematically shows a projector using three such LED arrays. The red LED array 1 , the green 2 and the blue 3, like the transmissive monochrome image generator (LCD) 4.1, are connected to a control circuit 10 which assigns the image information, which it receives via the signal input 11 , in terms of color and brightness.

Durch die Verwendung eine monochromen Bildgenerators besteht die Möglichkeit, die dreifache Bildauflösung zu erhalten, da gegenüber einem Farbbildgenerator die Farbstreifen entfallen. Damit ist heute schon bei hochauflösenden Bildgeneratoren (1280 × 1024 × 3) HDTV-Bilderzeugung mit einfachen Mittel möglich! Es wäre sofort möglich, ein Bild mit einer Auflösung von 3840 × 1024 Bildpunkten zu projizieren. Mit dieser Methode erhält man die Möglichkeit, preiswerte HDTV-Projektoren mit vorhandener LCD-Technologie zu bauen. Eine geometrische Änderung der Zellenanordnung mit einer neuen Lithographie wäre von Vorteil, wenn man die Punkte auf ca. 2000/Zeile und die Zeilenzahl auf 1400 umdesignt.By using a monochrome image generator it is possible to to get three times the image resolution because compared to a color image generator Color strips are eliminated. This is already the case with high-resolution image generators (1280 × 1024 × 3) HDTV image generation possible with simple means! It would be instant possible to project an image with a resolution of 3840 × 1024 pixels. With This method gives you the option of using inexpensive HDTV projectors to build existing LCD technology. A geometric change in the Arrangement of cells with a new lithography would be an advantage if the Points redesigned to approx. 2000 / line and the number of lines to 1400.

Gemäß Fig. 2 wird das Bild in drei Teilsequenzen aufteilt:
Der Bildgenerator 4.1 gibt nur die Helligkeitswerte des roten Teilbildes wieder und nur das rote LED-Array 1 wird angesteuert.
Der Bildgenerator 4.1 gibt nur die Helligkeitswerte des grünen Teilbildes wieder und nur das grüne LED-Array 2 wird angesteuert.
Der Bildgenerator 4.1 gibt nur die Helligkeitswerte des blauen Teilbildes wieder und nur das blaue LED-Array 3 wird angesteuert.According to FIG. 2, the picture is divided into three partial sequences:
The image generator 4.1 only reproduces the brightness values of the red partial image and only the red LED array 1 is activated.
The image generator 4.1 only reproduces the brightness values of the green partial image and only the green LED array 2 is activated.
The image generator 4.1 only reproduces the brightness values of the blue partial image and only the blue LED array 3 is activated.

Parallel zum zeilen- bzw. spaltenweisen Bildaufbau im Bildgenerator 4.1 werden in den gerade angesteuerten LED-Arrays 1, 2 oder 3 die entsprechenden betroffenen LED-Zeilen bzw. Spalten angesteuert.Parallel to the line or column-wise image structure in the image generator 4.1 , the corresponding LED rows or columns concerned are activated in the LED arrays 1 , 2 or 3 which are currently being driven.

Die entstehenden farbigen Lichtsequenzen aus den LED-Array 1, 2, 3 werden über dichroitische Spiegel 7, 8 auf den Bildgenerator 4.1 geleitet, von dort über eine Fresnellinse 5 dem Abbildungsobjektiv 6 zugeführt, welches die Projektion auf die Projektionsfläche übernimmt.The resulting colored light sequences from the LED arrays 1 , 2 , 3 are directed via dichroic mirrors 7 , 8 to the image generator 4.1 , from there via a Fresnel lens 5 to the imaging lens 6 , which takes over the projection onto the projection surface.

Fig. 3 realisiert eine ähnliche Funktion. Im Unterschied zur vorhergehenden Vorrichtung ist hier ein Prismensystem 9 vorhanden, das die doppelte Strahlumlenkung der farbigen Lichtsequenzen vornimmt, wobei der monochrome Bildgenerator 4.2 im Reflektionsmodus funktioniert. Fig. 3 realizes a similar function. In contrast to the previous device, there is a prism system 9 here, which carries out the double beam deflection of the colored light sequences, the monochrome image generator 4.2 functioning in the reflection mode.

Derartige reflexive LCD's weisen gegenüber transmissiven LCD's den Vorteil auf, daß die Steuerelemente für die einzelnen Bildpixel vom zu beeinflussenden Lichtstrahl nicht durchdrungen werden müssen; ihre Lichtdämpfung ist daher geringer, die Bildhelligkeit demzufolge bei ansonsten unveränderten Eingangsgrößen höher.Such reflective LCDs have the advantage over transmissive LCDs that that the control elements for the individual image pixels are to be influenced Light beam does not have to be penetrated; their light attenuation is therefore lower, the image brightness consequently with otherwise unchanged Input sizes higher.

In Fig. 4 ist wiederum ein Projektor unter Verwendung eines reflexiven Bildgenerators (LCD) 4.2 dargestellt. Durch die spezielle Geometrie der nicht in Normalenrichtung des Bildgenerators liegenden Ein- und Ausstrahlung kann in diesem Fall auf das Prismensystem 9 verzichtet werden, was wiederum zu einer Verringerung der Dämpfungsverluste führt. In FIG. 4, a projector using a reflective image generator (LCD) is again shown 4.2. In this case, the prism system 9 can be dispensed with due to the special geometry of the radiation and radiation that is not in the normal direction of the image generator, which in turn leads to a reduction in the attenuation losses.

In Fig. 5 ist ein Projektor dargestellt, der mit einem transmissiven Farbbildgenerator 4.3 arbeitet. Hierbei wird das Farbbild nicht aus Teilfarbbildsequenzen gebildet sondern sofort hergestellt. Die an die drei LED-Arrays 1, 2, 3 angeschlossene Steuerschaltung 10 sorgt hierbei dafür, daß die Helligkeit der Zeilen bzw. Spalten der Arrays in den gerade für den Bildaufbau im Farbbildgenerator 4.3 aktuellen Zeilen bzw. Spalten angesteuert wird.In Fig. 5, a projector is shown which uses a transmissive color image generator 4.3. Here, the color image is not formed from partial color image sequences, but is produced immediately. The control circuit 10 connected to the three LED arrays 1 , 2 , 3 ensures that the brightness of the rows or columns of the arrays in the rows or columns currently being used for image construction in the color image generator 4.3 is controlled.

Fig. 6 realisiert einen ähnlichen Aufbau wie Fig. 5, wobei hier wiederum ein reflexiver Farbbildgenerator 4.4, mit den oben beschriebenen Vorteilen zum Einsatz gelangt. FIG. 6 realizes a structure similar to that of FIG. 5, again using a reflective color image generator 4.4 with the advantages described above.

List of reference symbols

11

LED-Array - rot
LED array - red

22nd

LED-Array - grün
LED array - green

33rd

LED-Array - blau
LED array - blue

44

Bildgenerator (LCD) mit Eingangspolarisator und Ausgangsanalysator
Image generator (LCD) with input polarizer and output analyzer

55

Fresnellinse
Fresnel lens

66

Projektionssystem
Projection system

77

dichroitischer Spiegel
dichroic mirror

88th

dichroitischer Spiegel
dichroic mirror

99

Prismensystem (Strahlteiler)
Prism system (beam splitter)

1010th

Steuerschaltung
Control circuit

1111

Signaleingang
Signal input

Claims

1. Color image projector with time-controlled LED light sources, characterized in that for each of the three primary colors red, green and blue there is a large array of rows and columns organized LEDs that the arrays are connected to a control circuit that the beam paths of the arrays are directed to a common LCD image generator via dichroic mirrors, the image generator also being connected to the control circuit and an image-projecting system connected to the image generator in the optical beam path, with the control circuit generating three partial images in the three basic colors in succession for each overall image and the brightness of the LED array responsible for the current partial image takes place row-by-column in accordance with the row-by-column image construction in the image generator.

2. Color image projector according to claim 1, characterized in that the Image generator is a transmissive monochrome LCD.

3. Color image projector according to claim 1, characterized in that the Image generator is a reflective monochrome LCD.

4. Color image projector according to claim 1 and 3, characterized in that the Irradiation on the image generator in the normal direction via a prism system he follows.

5. Color image projector according to claim 1 and 3, characterized in that the one and broadcast outside the normal direction of the image generator.

6. Color image projector according to claim 1, characterized in that the Image generator is a color image LCD, the control circuit for compliance between row or column control of the brightness-generating LED arrays and the image generator.

7. Color image projector according to claim 1 to 6, characterized in that the Image generator has an HDTV resolution.