采用半导体二极管的投影系统转让专利
申请号 : CN200610121475.1
文献号 : CN101004543B
文献日 : 2010-06-09
发明人 : 赵济熙
申请人 : 三星电机株式会社
摘要 :
本发明涉及一种投影系统，包括：光源模块，发出多种单色光；至少一个光学调制器，根据每种颜色信号调制所述光源模块发出的光；颜色组合棱镜，组合所述光学调制器调制的单色光从而形成图像；以及投影透镜，将通过所述颜色组合棱镜形成的所述图像向屏幕投影。根据反偏压的值吸收或透射所述单色光的包括P型半导体层、本征半导体层和N型半导体层的半导体二极管布置在像素单元中。
权利要求 :
1.一种投影系统，其特征在于包括：
光源模块，发出多种单色光；
至少一个光学调制器，根据每种颜色信号调制所述光源模块发出的光，其中根据反偏压的值吸收或透射所述单色光的包括P型半导体层、本征半导体层和N型半导体层的半导体二极管布置在像素单元中；
颜色组合棱镜，组合所述光学调制器调制的所述单色光从而形成图像；以及投影透镜，将通过所述颜色组合棱镜形成的所述图像向屏幕投影。
2.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于所述光学调制器包括：第一光学调制器，具有多个半导体二极管的阵列，所述半导体二极管中本征半导体层的带隙能构造为当不施加反偏压时透射红光；
第二光学调制器，具有多个半导体二极管的阵列，所述半导体二极管中本征半导体层的带隙能构造为当不施加反偏压时透射绿光；
第三光学调制器，具有多个半导体二极管的阵列，所述半导体二极管中本征半导体层的带隙能构造为当不施加反偏压时透射蓝光。
3.如权利要求2所述的投影系统，其特征在于所述第一光学调制器的所述半导体二极管利用InGaAlP作为用于所述本征半导体层的材料。
4.如权利要求2所述的投影系统，其特征在于所述第二光学调制器的所述半导体二极管利用InGaAlN作为用于所述本征半导体层的材料。
5.如权利要求2所述的投影系统，其特征在于所述第三光学调制器的所述半导体二极管利用InGaAlN作为用于所述本征半导体层的材料。
6.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于所述P型半导体层和所述N型半导体层具有透射全部蓝、绿和红光的带隙能。
7.如权利要求6所述的投影系统，其特征在于所述光源模块包括：光源，发射白光；以及
多个分色镜，将所述光源发射的所述白光分为多种颜色的光。
8.如权利要求7所述的投影系统，其特征在于所述投影系统还包括镜，将穿过所述分色镜的光的光学路径改变为朝向所述光学调制器行进。
9.如权利要求6所述的投影系统，其特征在于所述光源模块包括多个单色光源。
10.如权利要求9所述的投影系统，其特征在于所述单色光源是分别发射红、绿和蓝色的单色光的发光二极管或激光器二极管。
说明书 :
技术领域
本发明涉及投影系统，更特别地，涉及具有高光学效率和快光学调制速度的投影系统。
背景技术
近来，虽然显示装置变得更轻和更薄，但是显示装置的屏幕尺寸增大了。投影仪或投影TV是能够提供大屏幕的一般显示器。新技术产生的用于投影系统的微显示装置包括透射型LCD(液晶显示器)面板，反射型LCoS(硅上液晶)面板和DMD(数字微镜装置)面板。另外，根据使用了多少微显示装置，微显示装置包括一面板方法(one-panel method)、两面板方法和三面板方法。三面板方法对于透射型LCD面板是普通的，而一面板方法一般用于DMD面板。对于LCoS面板，一面板方法、两面板方法和三面板方法全都被使用。
图1是透视图，示出使用透射型LCD的常规投影系统的配置。参照图1，使用透射型LCD的投影系统包括：光源10；两个分色镜15a和15b，将光源10发射的光分为红、绿和蓝光；LCD面板20a、20b和20c，根据输入信号调制通过分色镜15a和15b分开且通过三个镜18改变其路径的光；以及颜色组合棱镜25，将LCD面板20a、20b和20c的图像组合。
然而，尽管采用三面板方法的此投影系统具有大体积结构，但是该投影系统的光学效率低下，因为作为LCD面板20a、20b和20c每个的基本部件的偏振器具有高光吸收特性。另外，在LCD面板方法中，因为光通过配向膜之间液晶的配向被调制，具有配向方向的液晶根据控制信号返回到其初始配向方向需要一些时间，所以调制速度缓慢。
图2是透视图，示出利用DMD面板的常规一面板型DLP(数字光处理)投影系统的配置。参照图2，DLP投影系统包括：光源30；滤色器35，根据时间顺序分开红、绿和蓝光；DMD 40，顺序显示每种颜色的屏幕信息；以及投影透镜45，将来自DMD 40的光投影到屏幕上。
使用DMD的投影系统能采用一面板方法，因为光学效率高于使用LCD面板的情况。因此，能减少光学部件的数量。然而，仅美国Texas InstrumentsIncorporated提供DMD且DMD的总量必须进口。此外，DLP投影系统具有晕圈效应(halo effect)，即通过弹离DMD的微镜边缘的杂散光，在图像周围产生灰带。
图1是透视图，示出使用透射型LCD的常规投影系统的配置。参照图1，使用透射型LCD的投影系统包括：光源10；两个分色镜15a和15b，将光源10发射的光分为红、绿和蓝光；LCD面板20a、20b和20c，根据输入信号调制通过分色镜15a和15b分开且通过三个镜18改变其路径的光；以及颜色组合棱镜25，将LCD面板20a、20b和20c的图像组合。
然而，尽管采用三面板方法的此投影系统具有大体积结构，但是该投影系统的光学效率低下，因为作为LCD面板20a、20b和20c每个的基本部件的偏振器具有高光吸收特性。另外，在LCD面板方法中，因为光通过配向膜之间液晶的配向被调制，具有配向方向的液晶根据控制信号返回到其初始配向方向需要一些时间，所以调制速度缓慢。
图2是透视图，示出利用DMD面板的常规一面板型DLP(数字光处理)投影系统的配置。参照图2，DLP投影系统包括：光源30；滤色器35，根据时间顺序分开红、绿和蓝光；DMD 40，顺序显示每种颜色的屏幕信息；以及投影透镜45，将来自DMD 40的光投影到屏幕上。
使用DMD的投影系统能采用一面板方法，因为光学效率高于使用LCD面板的情况。因此，能减少光学部件的数量。然而，仅美国Texas InstrumentsIncorporated提供DMD且DMD的总量必须进口。此外，DLP投影系统具有晕圈效应(halo effect)，即通过弹离DMD的微镜边缘的杂散光，在图像周围产生灰带。
发明内容
为了解决上述和/或其它问题，本发明提供一种具有高光学效率和快光学调制速度的投影系统。
根据本发明的一个方面，投影系统包括：光源模块，发出多种单色光；至少一个光学调制器，根据每种颜色信号调制所述光源模块发出的光，其中根据反偏压的值吸收或传输所述单色光的包括P型半导体层、本征半导体层和N型半导体层的半导体二极管布置在像素单元中；颜色组合棱镜，组合该光学调制器调制的单色光从而形成图像；以及投影透镜，将颜色组合棱镜形成的图像向屏幕投影。
根据本发明的一个方面，投影系统包括：光源模块，发出多种单色光；至少一个光学调制器，根据每种颜色信号调制所述光源模块发出的光，其中根据反偏压的值吸收或传输所述单色光的包括P型半导体层、本征半导体层和N型半导体层的半导体二极管布置在像素单元中；颜色组合棱镜，组合该光学调制器调制的单色光从而形成图像；以及投影透镜，将颜色组合棱镜形成的图像向屏幕投影。
附图说明
通过参照附图详细描述其优选实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得明显，附图中：
图1是透视图，示出利用透射型LCD的常规投影系统的配置；
图2是透视图，示出利用DMD面板的常规一面板型DLP投影系统的配置；
图3是透视图，示出根据本发明一实施例的投影系统的配置；
图4是透视图，示出根据本发明另一实施例的投影系统的配置；
图5是图3和4的光学调制器的A部分的放大视图；
图6是沿图5的线VI-VI′截取的剖视图；
图7是曲线图，示意性示出吸收谱根据反偏压的变化；以及
图8是曲线图，示出吸收谱根据反偏压的改变的测量结果。
图1是透视图，示出利用透射型LCD的常规投影系统的配置；
图2是透视图，示出利用DMD面板的常规一面板型DLP投影系统的配置；
图3是透视图，示出根据本发明一实施例的投影系统的配置；
图4是透视图，示出根据本发明另一实施例的投影系统的配置；
图5是图3和4的光学调制器的A部分的放大视图；
图6是沿图5的线VI-VI′截取的剖视图；
图7是曲线图，示意性示出吸收谱根据反偏压的变化；以及
图8是曲线图，示出吸收谱根据反偏压的改变的测量结果。
具体实施方式
参照图3，根据本发明一实施例的投影系统包括：光源模块110，发出多种单色光；光学调制器121、122和123，根据每种颜色信号调制光源模块110发出的单色光；颜色组合棱镜127，组合光学调制器121、122和123调制的单色光；以及投影透镜131，将颜色组合棱镜127组合的光投影到屏幕(未示出)上。
光源模块110包括白光源112以及第一和第二分色镜114和116，第一和第二分色镜114和116将白光源112发出的光分为第一、第二和第三光。第一、第二和第三光可以分别是红光(R)、蓝光(B)或绿光(G)。第一分色镜114透射红光(R)且同时反射其它光(G+B)。第二分色镜116透射蓝光(B)且同时反射其它光(G)。
根据每种颜色信号调制所发出的光的光学调制器121、122和123包括控制红光的导通/关断的第一光学调制器121、控制绿光的导通/关断的第二光学调制器122、以及控制蓝光的导通/关断的第三光学调制器123。第一镜115布置在第一分色镜114与第一光学调制器121之间。第二镜117和第三镜119顺序布置在第二分色镜116与第三光学调制器123之间。
当白光源112发出的光入射到第一分色镜114上时，第一分色镜114透射红光(R)且反射绿光(G)和蓝光(B)。第一分色镜114透射的红光(R)被第一镜115反射且入射到第一光学调制器121上。
被第一分色镜114反射的绿光和蓝光(G+B)入射到第二分色镜116上。第二分色镜116反射入射绿光和蓝光(G+B)中的绿光(G)且透射蓝光(B)。被第二分色镜116反射的绿光(G)入射到第二光学调制器122上。被第二分色镜116透射的蓝光(B)入射到第三光学调制器123上，其路径被第二和第三镜117和119改变。
供选地，如图4所示，光源模块110可包括多个单色光源211、212和213，其布置来直接发出单色光到光学调制器121、122和123的每个。另外，单色光源211、212和213可以是例如分别发射红光、蓝光和绿光的发光二极管或激光器二极管。
具有分别面向第一至第三光学调制器121-123的表面的颜色组合棱镜127布置在第一至第三光学调制器121-123前。投影透镜131布置在颜色组合棱镜127前。入射在第一至第三光学调制器121-123上且根据稍后描述的原理被调制的光通过颜色组合棱镜127被组合且通过投影透镜131被投影到屏幕(未示出)上。
参照图5至8，将详细描述根据本发明的投影系统中采用的光学调制器的结构、构建光学调制器的半导体二极管的结构、以及半导体二极管透射或吸收光的原理。
图5是图3和4的光学调制器的A部分的放大视图，其中多个半导体二极管140以二维阵列布置。参照图5，构成光学调制器的半导体二极管140的每个包括P型电极143和N型电极141，使得反偏压可被施加。在二维阵列中，例如，位于k行和m列的半导体二极管140之一的N型电极141连接到沿行方向布置且具有预定电势值VN，k(k＝1，2，3...)的N端子线NLk。所述半导体二极管140之一的P型电极143连接到沿列方向布置且具有预定电势值VP，m(m＝1，2，3...)的P端子线PLm。
N型电极141和P型电极143与其连接的端子线NLk和PLm的电势值之间的差(VN，k-VP，m)对应于施加到半导体二极管140的反偏压VR的值。半导体二极管140的每个对应于像素且如稍后将描述的那样根据所施加的反偏压的值透射(导通)或吸收(关断)光。包括P型和N型电极143和141的半导体二极管140的形状不限于上述说明，考虑到其它因素例如图像特性可以采用其它形状。
图6是沿图5的VI-VI′线截取的剖视图。参照图6，半导体二极管140之一具有P-I-N结构，包括P型半导体层145、本征半导体层147和N型半导体层149。P型电极143和N型电极141分别形成在P型半导体层145的上表面和N型半导体层149的下表面上。透明电极151设置在P型半导体层145和P型电极143之间以及N型半导体层149和N型电极141之间。透明电极151可以由例如ITO、ZnO、TCO或NiO形成。
半导体二极管140根据入射光的能量和本征半导体层147的带隙能Eg的量吸收或透射入射光。即，本征半导体层147作为光吸收层起作用。当入射光的能量大于本征半导体层147的带隙能Eg时，入射光被吸收。否则，入射光被透射。本征半导体层147可具有多量子阱结构。
带隙能Eg随着反偏压增大而特征性地减小。当跨过半导体层施加电场从而施加反偏压时，电势能添加到能带。因为所添加的电势能的值根据半导体层中的位置而变化，所以能带倾斜且相应地带隙能减小。这称为量子限制斯塔克效应(quantum-confinement stark effect)。随着带隙能减小，被本征半导体层147吸收的入射光的能量减小。
图7是曲线图，示意性示出吸收谱根据反偏压的变化。图7中，x轴表示入射光的波长，y轴表示吸收系数“α”。当所施加的反偏压分别为-2V、-5V、-8V和-10V时，λ1、λ2、λ3和λ4意味着光不被吸收而开始透射的最小波长。随着所施加的反偏压增大，吸收谱右移。即，随着反偏压增大可以透射半导体二极管140的最小波长增大。因此，通过适当设计不施加反偏压时的带隙能和施加反偏压时的带隙能，特定波长的光可以被导通/关断。
图8是曲线图，示出吸收谱根据反偏压改变的测量结果。此处，测量中使用的半导体二极管由用于P型半导体层和N型半导体层的GaN形成。本征半导体层具有InGaN/GaN的多量子阱结构。
参照图8，随着反偏压从-1V变为-20V，透射范围的波长改变。在380-780的可见光带，可以看出透射范围的最小波长从约400nm变为450nm。对于测试所用的结构，具有与约400-450nm对应的波长的光在反偏压是-1V时被半导体二极管透射且在反偏压是-20V时被吸收。
上述测试是示例性的，且需要时通过设计半导体二极管的每个半导体层的结构和材料，吸收特性被改善或吸收谱移到其它波长带。例如，对于用于导通/关断红光的图3的第一光学调制器121，半导体二极管140设计来导通/关断与红光波长对应的具有560-650nm波长的光。因为该波长范围对应于约1.9-2.2eV的光能，所以在半导体二极管140中作为吸收层起作用的本征半导体层147的带隙能作为吸收红光的带隙能必须不超过1.9eV且作为透射红光的带隙能不小于2.2eV。因为带隙能通过反偏压减小，所以带隙能优选设计为基于零(0)偏压不小于2.2eV。本征半导体层可以由InGaAlP基材料形成。
对于导通/关断绿光的图3的第二光学调制器122，因为绿光的能量约为2.2-2.5eV，所以优选设置吸收绿光的吸收层的带隙能不超过2.2eV且透射绿光的吸收层的带隙能不小于2.5eV。这样，带隙能优选设计为基于零(0)偏压不小于2.5eV。本征半导体层可以由InGaAlN基材料形成。
对于导通/关断蓝光的图3的第三光学调制器123，因为蓝光的能量约为2.5-2.9eV，所以设计半导体二极管140使得带隙能优选基于零(0)偏压不小于2.9eV。本征半导体层可以由InGaAlN基材料形成。
光吸收可以在P型半导体层145和N型半导体层149中产生。P型半导体层145和N型半导体层149优选设计来透射可见光范围的光从而有效地关断/导通光。即，P型半导体层145和N型半导体层149的带隙能优选具有大于约2.9eV的值，即与蓝光的最小波长430nm对应的光能量。
入射在如上配置的图3的第一至第三光学调制器121-123上的每种单色光通过在穿过本征半导体层147时根据施加到与各像素对应的半导体二极管的反偏压而被吸收或者被透射来调制所述光。
如上所述，根据本发明的如上配置的投影系统的特征在于利用半导体二极管进行光学调制。其中半导体二极管根据光的波长透射或吸收光的该投影系统优点在于光效率和光调制速度高，因为当光的波长与透射范围的波长对应时在光的透射中很少存在光损失。另外，其优点在于制造工艺简单且能减小成本，因为该结构能通过集成工艺在衬底上形成。
虽然已经参照其示例性实施例特别显示和描述了本发明，但是本领域技术人员将明白，在不偏离所附权利要求定义的本发明的思想和范围的情况下，可以进行形式和细节方面的各种改变。
光源模块110包括白光源112以及第一和第二分色镜114和116，第一和第二分色镜114和116将白光源112发出的光分为第一、第二和第三光。第一、第二和第三光可以分别是红光(R)、蓝光(B)或绿光(G)。第一分色镜114透射红光(R)且同时反射其它光(G+B)。第二分色镜116透射蓝光(B)且同时反射其它光(G)。
根据每种颜色信号调制所发出的光的光学调制器121、122和123包括控制红光的导通/关断的第一光学调制器121、控制绿光的导通/关断的第二光学调制器122、以及控制蓝光的导通/关断的第三光学调制器123。第一镜115布置在第一分色镜114与第一光学调制器121之间。第二镜117和第三镜119顺序布置在第二分色镜116与第三光学调制器123之间。
当白光源112发出的光入射到第一分色镜114上时，第一分色镜114透射红光(R)且反射绿光(G)和蓝光(B)。第一分色镜114透射的红光(R)被第一镜115反射且入射到第一光学调制器121上。
被第一分色镜114反射的绿光和蓝光(G+B)入射到第二分色镜116上。第二分色镜116反射入射绿光和蓝光(G+B)中的绿光(G)且透射蓝光(B)。被第二分色镜116反射的绿光(G)入射到第二光学调制器122上。被第二分色镜116透射的蓝光(B)入射到第三光学调制器123上，其路径被第二和第三镜117和119改变。
供选地，如图4所示，光源模块110可包括多个单色光源211、212和213，其布置来直接发出单色光到光学调制器121、122和123的每个。另外，单色光源211、212和213可以是例如分别发射红光、蓝光和绿光的发光二极管或激光器二极管。
具有分别面向第一至第三光学调制器121-123的表面的颜色组合棱镜127布置在第一至第三光学调制器121-123前。投影透镜131布置在颜色组合棱镜127前。入射在第一至第三光学调制器121-123上且根据稍后描述的原理被调制的光通过颜色组合棱镜127被组合且通过投影透镜131被投影到屏幕(未示出)上。
参照图5至8，将详细描述根据本发明的投影系统中采用的光学调制器的结构、构建光学调制器的半导体二极管的结构、以及半导体二极管透射或吸收光的原理。
图5是图3和4的光学调制器的A部分的放大视图，其中多个半导体二极管140以二维阵列布置。参照图5，构成光学调制器的半导体二极管140的每个包括P型电极143和N型电极141，使得反偏压可被施加。在二维阵列中，例如，位于k行和m列的半导体二极管140之一的N型电极141连接到沿行方向布置且具有预定电势值VN，k(k＝1，2，3...)的N端子线NLk。所述半导体二极管140之一的P型电极143连接到沿列方向布置且具有预定电势值VP，m(m＝1，2，3...)的P端子线PLm。
N型电极141和P型电极143与其连接的端子线NLk和PLm的电势值之间的差(VN，k-VP，m)对应于施加到半导体二极管140的反偏压VR的值。半导体二极管140的每个对应于像素且如稍后将描述的那样根据所施加的反偏压的值透射(导通)或吸收(关断)光。包括P型和N型电极143和141的半导体二极管140的形状不限于上述说明，考虑到其它因素例如图像特性可以采用其它形状。
图6是沿图5的VI-VI′线截取的剖视图。参照图6，半导体二极管140之一具有P-I-N结构，包括P型半导体层145、本征半导体层147和N型半导体层149。P型电极143和N型电极141分别形成在P型半导体层145的上表面和N型半导体层149的下表面上。透明电极151设置在P型半导体层145和P型电极143之间以及N型半导体层149和N型电极141之间。透明电极151可以由例如ITO、ZnO、TCO或NiO形成。
半导体二极管140根据入射光的能量和本征半导体层147的带隙能Eg的量吸收或透射入射光。即，本征半导体层147作为光吸收层起作用。当入射光的能量大于本征半导体层147的带隙能Eg时，入射光被吸收。否则，入射光被透射。本征半导体层147可具有多量子阱结构。
带隙能Eg随着反偏压增大而特征性地减小。当跨过半导体层施加电场从而施加反偏压时，电势能添加到能带。因为所添加的电势能的值根据半导体层中的位置而变化，所以能带倾斜且相应地带隙能减小。这称为量子限制斯塔克效应(quantum-confinement stark effect)。随着带隙能减小，被本征半导体层147吸收的入射光的能量减小。
图7是曲线图，示意性示出吸收谱根据反偏压的变化。图7中，x轴表示入射光的波长，y轴表示吸收系数“α”。当所施加的反偏压分别为-2V、-5V、-8V和-10V时，λ1、λ2、λ3和λ4意味着光不被吸收而开始透射的最小波长。随着所施加的反偏压增大，吸收谱右移。即，随着反偏压增大可以透射半导体二极管140的最小波长增大。因此，通过适当设计不施加反偏压时的带隙能和施加反偏压时的带隙能，特定波长的光可以被导通/关断。
图8是曲线图，示出吸收谱根据反偏压改变的测量结果。此处，测量中使用的半导体二极管由用于P型半导体层和N型半导体层的GaN形成。本征半导体层具有InGaN/GaN的多量子阱结构。
参照图8，随着反偏压从-1V变为-20V，透射范围的波长改变。在380-780的可见光带，可以看出透射范围的最小波长从约400nm变为450nm。对于测试所用的结构，具有与约400-450nm对应的波长的光在反偏压是-1V时被半导体二极管透射且在反偏压是-20V时被吸收。
上述测试是示例性的，且需要时通过设计半导体二极管的每个半导体层的结构和材料，吸收特性被改善或吸收谱移到其它波长带。例如，对于用于导通/关断红光的图3的第一光学调制器121，半导体二极管140设计来导通/关断与红光波长对应的具有560-650nm波长的光。因为该波长范围对应于约1.9-2.2eV的光能，所以在半导体二极管140中作为吸收层起作用的本征半导体层147的带隙能作为吸收红光的带隙能必须不超过1.9eV且作为透射红光的带隙能不小于2.2eV。因为带隙能通过反偏压减小，所以带隙能优选设计为基于零(0)偏压不小于2.2eV。本征半导体层可以由InGaAlP基材料形成。
对于导通/关断绿光的图3的第二光学调制器122，因为绿光的能量约为2.2-2.5eV，所以优选设置吸收绿光的吸收层的带隙能不超过2.2eV且透射绿光的吸收层的带隙能不小于2.5eV。这样，带隙能优选设计为基于零(0)偏压不小于2.5eV。本征半导体层可以由InGaAlN基材料形成。
对于导通/关断蓝光的图3的第三光学调制器123，因为蓝光的能量约为2.5-2.9eV，所以设计半导体二极管140使得带隙能优选基于零(0)偏压不小于2.9eV。本征半导体层可以由InGaAlN基材料形成。
光吸收可以在P型半导体层145和N型半导体层149中产生。P型半导体层145和N型半导体层149优选设计来透射可见光范围的光从而有效地关断/导通光。即，P型半导体层145和N型半导体层149的带隙能优选具有大于约2.9eV的值，即与蓝光的最小波长430nm对应的光能量。
入射在如上配置的图3的第一至第三光学调制器121-123上的每种单色光通过在穿过本征半导体层147时根据施加到与各像素对应的半导体二极管的反偏压而被吸收或者被透射来调制所述光。
如上所述，根据本发明的如上配置的投影系统的特征在于利用半导体二极管进行光学调制。其中半导体二极管根据光的波长透射或吸收光的该投影系统优点在于光效率和光调制速度高，因为当光的波长与透射范围的波长对应时在光的透射中很少存在光损失。另外，其优点在于制造工艺简单且能减小成本，因为该结构能通过集成工艺在衬底上形成。
虽然已经参照其示例性实施例特别显示和描述了本发明，但是本领域技术人员将明白，在不偏离所附权利要求定义的本发明的思想和范围的情况下，可以进行形式和细节方面的各种改变。