專利名稱：一種混合光源液晶投影光引擎系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種投影顯示系統(tǒng)，尤其涉及一種混合型三基色照明的便攜式液晶投影光引擎。
背景技術：
投影顯示已經(jīng)成為大屏幕高清晰動態(tài)顯示的主流方式，廣泛應用于商務、教育、科研、娛樂以及家庭等重要環(huán)節(jié)。近些年，隨著微電子、光學、加工工藝等諸多技術的迅猛發(fā)展，以及現(xiàn)代商務移動辦公模式的普及和手持數(shù)碼產(chǎn)品的增多，微型化又成為投影顯示技術發(fā)展的新方向。微型投影機具有輕巧和使用方便等顯著優(yōu)點，可與各類消費電 子產(chǎn)品相結合，這使得微型投影的應用變得無限廣闊。微型投影機對亮度、分辨率、體積、功耗、成本以及散熱等都有嚴格的要求。要實現(xiàn)高亮度、高分辨率、小體積、低功耗和低成本的微型投影系統(tǒng)，就必須在光源、光調制器件、光學系統(tǒng)和光學器件等多方面做很大的改進甚至革新。目前，微型投影主要以DLP (Digital Lighting Processor)和 LCoS (LiquidCrystal on Silicon)技術為主。DLP和LCoS技術均為陣列反射式投影技術。DLP技術具有反射率高且無需偏振光等優(yōu)點，但其芯片DMD (Digital Mirror Device)制程極其復雜，為TI公司獨家掌控。LCoS技術具有高分辨率和低成本等優(yōu)勢，色彩豐富，圖像逼真，加之技術上的開放性，非常適合微型投影對小體積、高分辨率和低成本的苛刻要求。但是，LCoS微型投影系統(tǒng)卻存在整機輸出亮度偏低的問題，用戶的視覺體驗不夠好，這已經(jīng)成為微型投影發(fā)展的瓶頸。目前的微型投影大多采用LED作為照明光源。LED具有體積小、壽命長、響應快及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，但在微型投影應用上，仍然存在LED光通量不高，且單位光學擴展量上的光通量低于傳統(tǒng)投影光源，以及發(fā)熱量過大等問題。隨著市場的發(fā)展，各LED廠商也在不斷開發(fā)適用于微型投影的LED光源。例如，歐司朗(OSRAM)在2011年底研制出電光轉換效率高達61%的紅光LED(主波長為609nm)。在Imm2的芯片，工作電流為40mA時可實現(xiàn)光效高達201 lm/W，而在350mA的典型工作電流下仍可提供168 lm/W的高光效。發(fā)光效率越高，芯片面積越小，這給微型投影光學系統(tǒng)設計帶來更大的空間。另外，由于不同單色LED的發(fā)光效率差異，LED廠商也采用熒光粉技術，用某些波長LED發(fā)光效率高的優(yōu)點來制備其他波長的LED，以提高該波段的發(fā)光效率。通常，綠色波段LED發(fā)光效率較低，但綠光在投影系統(tǒng)中占的比重卻最大。為解決這個問題，歐司朗(OSRAM)采用波長420nm的LED激發(fā)熒光粉產(chǎn)生520nm的綠光，使得綠光輸出光通量在相同功率下亮度提升一倍，達到I. 4A工作電流下500 Im的高亮度。雖然LED激發(fā)熒光粉使得亮度上有明顯提升，但也存在不足1)光譜范圍過寬，雖然主波長在綠光范圍，但其他波長范圍內(nèi)仍然存在部分能量。熒光粉激發(fā)綠光LED的FWHM(半高寬度)增大兩倍多到lOOnm，而普通綠光LED僅為44nm。2)色彩純度大大降低，且其他基色范圍內(nèi)的能量也不能被系統(tǒng)有效利用。3)熒光粉激發(fā)LED的發(fā)光角度有所增加，使得光源的光學擴展量增大，給后續(xù)系統(tǒng)的設計帶來壓力。[0006]另一種新興的光源是激光。激光作為光源的投影系統(tǒng)具有非常高亮度、無需對焦和色域寬廣等顯著優(yōu)點，這都是LED投影系統(tǒng)無法比擬的。另外，激光的高偏振單色紅綠藍三基色光，對LCoS微顯示系統(tǒng)尤其重要。但是，激光投影也存在難以克服的缺點1)真綠激光仍未商業(yè)化，成本過高。目前的綠激光大多基于倍頻技術產(chǎn)生；2)存在安全問題。研究表明，激光掃描投影在Class2時最高只能達到20流明，而基于面板的激光投影系統(tǒng)在Classl就可以達到20流明，在Class2時可達幾百流明?？梢?，基于面板的投影系統(tǒng)較掃描投影系統(tǒng)有優(yōu)勢；3)圖像散斑。由于激光的強相干特性，顯示圖像畫面受到干擾而呈現(xiàn)顆粒狀，容易產(chǎn)生視覺疲勞，感官舒適度大大降低。因此，在激光投影中去散斑技術非常關鍵。雖有角多樣性，偏振多樣性，波長多樣性，使用特殊或者移動屏幕等方法消除散斑，但每種方法都有其局限性。LED和激光光源都各有優(yōu)點，但其性能和發(fā)展速度卻滯后于微投市場的需要。若采用單一光源，系統(tǒng)總是存在或亮度不高，或圖像散斑，或體積過大等問題。 若能將各種LED和激光光源結合起來，利用激光的高亮度特性，又利用到LED的低干涉性來消弱激光圖像散斑并提高安全性，這將對微型投影在高亮度、低功耗、小體積和低成本等方面大有裨益。要將各種光源有效結合起來，就需要一個高效的偏振光管理系統(tǒng)一光引擎，將光源能量傳遞給光調制器件。最簡單的方法是在傳統(tǒng)的微型投影光引擎結構上更換新興固體光源。例如，采用傳統(tǒng)的X-Cube微型投影光引擎(US6018418)結構。但這種結構在光源位置擺放時要注意光源本身的物理特性，若兩激光光源相對而置，會有殘余光射向另一個光源的激光發(fā)光芯片，造成激光光源損傷。申請人:申請的專利(專利申請?zhí)枮?01110168636. 3)提供了一種全新的反射式微型投影光引擎結構。該結構采用三基色LED照明，利用偏振分束棱鏡(PBS: PolarizationBeam Splitter)和偏振干涉濾光片組成的偏振整合光路，將不同偏振態(tài)的三基色光整合為同一偏振光并照向圖像調制器件。同時采用光回收結構，將第一次未進入后續(xù)光路的光經(jīng)偏振旋轉后被重復利用，可有效利用三基色光的兩種偏振態(tài)。該光引擎系統(tǒng)結構緊湊，光利用率高，但由于采用單一 LED照明，整個系統(tǒng)的輸出量度仍然偏低。為解決亮度低的問題，本專利采用LED、激光和熒光器件相混合的照明模式，在不引起散斑和安全性問題基礎上，最大限度提升微型投影光引擎的輸出亮度。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供了一種混合光源液晶投影光引擎
系統(tǒng)。本實用新型采用不同類型的固體光源------LED和激光，結合高效的光引擎系統(tǒng)，不
僅極大提升了整機的輸出亮度，而且確保了投影圖像質素和安全性等特點。本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的一種混合光源液晶投影光引擎系統(tǒng)，它包括混合光源模塊，偏振光管理模塊，圖像信息模塊和投影鏡頭。其中，所述混合光源模塊包括紅激光器、藍激光器、綠光LED、紅激光擴束整形器、藍激光擴束整形器、綠光勻光器，紅激光器和紅激光擴束整形器相連，藍激光器和藍激光擴束整形器相連，綠光LED和綠光勻光器相連。光管理模塊由偏振合色單兀、聚光透鏡、偏振干涉濾光片、第二 PBS依次同軸排列組成。圖像信息模塊位于第二 PBS的一個直角邊，投影鏡頭位于第二 PBS的出射邊。[0012]進一步地，所述偏振合色單元由二向分色棱鏡、第一 PBS、反射鏡、綠光四分之一波片組成。其中，第一 PBS與聚光透鏡同軸，二向分色棱鏡和第一 PBS膠合。紅激光器和紅激光擴束整形器、藍激光器和藍激光擴束整形器，分別位于二向色棱鏡的兩側。綠光LED、綠光勻光器及綠光四分之一波片位于第一 PBS相應的入射面上；反射鏡位于第一 PBS上，綠光LED的S光的出射面，使得未進入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復利用。進一步地，紅激光器和藍激光器封裝在一起成為共路光，再與綠光LED混合照明。所述的光源部分由紅激光器、藍激光器、紅藍擴束整形器、綠光LED及綠光勻光器組成。所述偏振合色單元由第一 PBS、綠光四分之一波片和反射鏡組成。其中，綠光四分之一波片位于第一 PBS的綠光入射面,而反射鏡位于第一 PBS上,綠光LED的S光的出射面,使得未進入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復利用。
進一步地，采用藍激光激發(fā)綠光熒光粉的方式產(chǎn)生投影所需的綠基色，再與紅色LED混合照明。所述的光源部分由雙藍激光器、透藍反綠濾光片、綠光熒光板、藍光擴束整形器、綠光擴束整形器、紅光LED及紅光勻光器組成。所述偏振合色單元由二向分色棱鏡、第一 PBS、紅光四分之一波片及反射鏡組成。其中，第一 PBS與聚光透鏡同軸，二向分色棱鏡和第一 PBS膠合。紅光LED、紅光勻光器和紅光四分之一波片位于二向色棱鏡相應的入射面，一個藍激光器及藍激光擴束整形器位于二向色棱鏡的另一入射面。另一個藍激光器、透藍反綠濾光片、綠光熒光板及綠光擴束整形器位于第一 PBS的入射面；反射鏡位于第一 PBS上，綠光的S光的出射面，使得未進入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復利用。進一步地，采用藍激光激發(fā)綠光熒光粉的方式產(chǎn)生投影所需的綠基色，再與紅激光混合照明。所述的光源部分由雙藍激光器、透藍反綠濾光片、綠光熒光板、藍光擴束整形器、綠光擴束整形器、紅激光器及紅光擴束整形器組成。所述偏振合色單元由二向分色棱鏡、第一 PBS及反射鏡組成。其中，第一 PBS與聚光透鏡同軸，二向分色棱鏡和第一 PBS膠合。紅激光器和紅光擴束整形器位于二向色棱鏡相應的入射面，藍激光器及藍激光擴束整形器件位于二向色棱鏡的另一入射面。透藍反綠濾光片、綠光熒光板、綠光擴束整形器位于第一 PBS的入射面；反射鏡位于第一 PBS上,綠光的S光的出射面,使得未進入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復利用。進一步地，采用二向色棱鏡代替第一 PBS以進一步降低整機成本。所述的光源部分由雙藍激光器、綠光熒光板、藍光擴束整形器、綠光擴束整形器、紅激光及紅光擴束整形器組成。所述偏振合色單元由二向分色棱鏡、第二二向色棱鏡組成。其中，第二二向分色棱鏡與二向分色棱鏡膠合在一起，且與聚光透鏡同軸。紅激光器和紅光擴束整形器位于二向色棱鏡相應的入射面，藍激光器及藍激光擴束整形器位于二向色棱鏡的另一入射面。綠光突光板、綠光擴束整形器位于第二二向色棱鏡的入射面。在實際光學系統(tǒng)中，二向色棱鏡的選擇應根據(jù)各基色光源的擺放位置決定，本實用新型只給出了一種實現(xiàn)方案。采用雙二向色棱鏡結構，只要設置各基色的光偏振態(tài)一致，而無需偏振整合器件。但為了提高入射于調制器件上的光偏振度，可在第二 PBS前加偏振片。采用雙二向色棱鏡結構無法實現(xiàn)偏振光的重復利用，整機亮度也會因此有所降低，但成本上有一定的優(yōu)勢。本實用新型的有益效果是，采用LED和激光混合照明，能充分利用到激光的高亮度、單偏振特點，極大提升了整機的輸出亮度，同時又能利用到LED光源的非相干特性，消弱單激光光源引起的散斑現(xiàn)象，且安全性也得到進一步保障。
圖I是本實用新型的第一個實施例的反射式液晶投影顯示光學系統(tǒng)結構圖；圖2是本實用新型的第一個實施例中第一和第三基色的光線軌跡和偏振態(tài)圖；圖3是本實用新型的第一個實施例中第二基色的光線軌跡和偏振態(tài)圖；圖4是本實用新型的第二個實施例的反射式液晶投影顯示光學系統(tǒng)結構圖；圖5是本實用新型的第二個實施例中第一和第三基色的光線軌跡和偏振態(tài)圖；圖6是本實用新型的第二個實施例中第二基色的光線軌跡和偏振態(tài)圖； 圖7是本實用新型的第三個實施例的反射式液晶投影顯示光學系統(tǒng)結構圖；圖8是本實用新型的第三個實施例中第二和第三基色的光線軌跡和偏振態(tài)圖；圖9是本實用新型的第三個實施例中第一基色的光線軌跡和偏振態(tài)圖；圖10是本實用新型的第四個實施例的反射式液晶投影顯示光學系統(tǒng)結構圖；圖11是本實用新型的第四個實施例中第一基色的光線軌跡和偏振態(tài)圖；圖12是本實用新型的第五個實施例的反射式液晶投影顯示光學系統(tǒng)結構圖；圖13是本實用新型的第六個實施例的反射式液晶投影顯示光學系統(tǒng)結構圖；圖中反射式液晶投影顯示系統(tǒng)I、光源模塊2、偏振光管理模塊3、圖像信息模塊4、投影鏡頭5、紅激光器21、綠光LED 22、藍激光器23、紅光LED 24、第二藍激光器25、紅藍激光器26、紅激光擴束整形器211、綠光勻光器221、綠激光擴束整形器224、藍激光擴束整形器231、紅光勻光器241、綠光熒光板223、透藍反綠濾光片323、紅光光束212、綠光光束222、藍光光束232、紅藍激光擴束整形器234、二向分色棱鏡31、第一 PBS 32、反射鏡33、聚光透鏡34、偏振干涉濾光片35、第二PBS 36、第二二向分色棱鏡37、紅光四分之一波片321、綠光四分之一波片322。
具體實施方式
本實用新型包括光源模塊，偏振光管理模塊，圖像信號模塊和投影鏡頭。光源模塊提供照明，為極大提升投影系統(tǒng)的亮度和色彩飽和度，本實用新型采用LED和激光三基色混合照明。LED和激光固體光源本身就產(chǎn)生單色性很好的光，且具有納秒量級的響應速度，可為時序式顯示提供高效照明。光管理模塊包括一個二向分色棱鏡，兩個PBS(Polarization Beam Splitter,偏振分束器)和一個偏振干涉濾光片等。二向分色棱鏡將紅激光和藍激光合成為共路光，進入第一 PBS。由于激光的高偏振特性,可設置入射紅光和藍光均為第一偏振態(tài)，幾乎所有的光可被第一 PBS反射出去進入后續(xù)系統(tǒng)。而對于綠光LED,直接進入第一 PBS后,分解成相互正交的第一偏振光和第二偏振光。第二偏振光透射過第一 PBS，而第一偏振光則被第一 PBS反射，經(jīng)過反射鏡和四分之一波片組成的光回收結構后變?yōu)榈诙窆?，與先前的第二偏振光合并，實現(xiàn)光的重復利用。紅光和藍光的第一偏振光與綠光的第二偏振光，經(jīng)過偏振干涉濾光片偏振整合后成為第一偏振光。之后，第一偏振態(tài)的三基色光經(jīng)第二 PBS反射進入圖像信號調制模塊。圖像信號調制模塊為一塊位于第二 PBS —直角邊的反射式液晶圖像調制器件LCoS，根據(jù)輸入的圖像信號，對輸入三基色光分時序調制，攜帶圖像信息的調制光偏振態(tài)旋轉90度后，透過第二 PBS進入投影鏡頭。投影鏡頭位于第二 PBS出射邊，以放大投影經(jīng)圖像調制器件后攜帶對應圖像信息的光于屏幕上。在此基礎上，可將紅激光和藍激光封裝在一起，而無需二向色棱鏡合色器件，能進一步縮小體積和減少器件。從紅激光和藍激光發(fā)出的第一偏振光，經(jīng)過擴束整形器件后直接進入第一 PBS，被反射進入后續(xù)系統(tǒng)。而綠光直接進入第一 PBS后，分解成相互正交的第一偏振光和第二偏振光。第二偏振光透射過第一 PBS,而第一偏振光則被第一 PBS反射，經(jīng)過反射鏡和四分之一波片組成的光回收結構后變?yōu)榈诙窆?，與先前的第二偏振光合并，實現(xiàn)光的重復利用。為極大提升整機亮度，可采用藍激光激發(fā)綠光熒光粉的方式產(chǎn)生綠光，一個藍激光器直接產(chǎn)生藍光，而另一個藍激光器產(chǎn)生的光激發(fā)綠光熒光粉產(chǎn)生綠光。紅光部分可以 采用紅光LED或者紅激光，前者具有較好的圖像質量，后者具有較高的輸出亮度。若亮度滿足要求，為降低成本，可采用二向色棱鏡替代第一 PBS。紅激光與藍激光經(jīng)第一個二向色棱鏡合色后，再與綠光合成為同一偏振態(tài)的三基色，通過聚光透鏡后，進入第二 PBS，而無需偏振干涉濾光片。相對于采用第一 PBS的偏振合色單元，雙二向色棱鏡無法實現(xiàn)偏振光的重復利用，必然導致非第二偏振態(tài)的光不能被重復利用，但器件相對較少，成本相對較低。同理，也可將紅激光和藍激光封裝在一起，進一步縮小體積，降低成本。這些都有利于投影系統(tǒng)的進一步微型化和市場化。本實用新型的技術內(nèi)容，特性和優(yōu)點等，將參照附圖進行詳細描述。在不脫離本實用新型范圍的情況下，可以對其作出結構和其他方面的改變，而作為其他實施例。各個實施例及其每個不同實施例的各個方面可以以任何合適的方式組合使用。所以，附圖和詳敘本質上將被看作是描述性的而非限制性的。應當注意，在不同的示圖中，相同器件采用相同的參考數(shù)表示。實施例I圖I給出了本實用新型的第一個采用混合光源的反射式液晶投影顯示系統(tǒng)I的實施例，包括光源模塊2，偏振光管理模塊3，圖像信息模塊4和投影鏡頭5。光源模塊2包括紅激光器21、藍激光器23、綠光LED 22、紅激光擴束整形器211、藍激光擴束整形器231和綠光勻光器221，紅激光器21和紅激光擴束整形器211相連，藍激光器23和藍激光擴束整形器231相連，綠光LED 22和綠光勻光器221相連。紅激光器21和藍激光器23發(fā)射的偏振光分別經(jīng)過紅激光擴束整形器211和藍激光擴束整形器231后成為照明所需的矩形光束。綠光LED 22發(fā)射的三基色自然光經(jīng)過綠光勻光器221后收集成為照明所需的小角度矩形光束。其中，紅光光束212、綠光光束222、藍光光束232。光管理模塊3由偏振合色單元、聚光透鏡34、偏振干涉濾光片35、第二 PBS 36依次同軸排列組成。本實施例中，偏振合色單元由二向分色棱鏡31、第一 PBS 32、反射鏡33、綠光四分之一波片322組成。二向分色棱鏡31將紅激光器21和藍激光器23發(fā)出的光合成為共路光束。第一PBS 32與二向分色棱鏡31膠合在一起，對應綠光LED 22的邊膠合有綠光四分之一波片
322。綠光四分之一波片322設計波長分別對應于各自基色光的中心波長，當每種基色的線偏振光先后兩次通過各自四分之一波片后，偏振方向旋轉90度。由于紅激光器21和藍激光器23發(fā)出的光具有高偏振度,可設置為第一偏振入射,會被第一 PBS 32全部反射,而對于非偏振的綠光LED 22,則第一 PBS反射第一偏振光而透射第二偏振光。反射鏡33位于第一PBS 32的綠光反射光路一側，將反射到其表面的綠色光按原路返回以提高系統(tǒng)光重復利用率。聚光透鏡34和偏振干涉濾光片35位于第一 PBS 32和第二 PBS 36之間。偏振干涉濾光片35可以實現(xiàn)選擇性光譜的偏振旋轉，對于期望波段的偏振光旋轉90度，而其他波段的偏振光保持偏振態(tài)不變，從而實現(xiàn)不同光譜基色偏振光的偏振整合。紅光光束212,綠光光束222，藍光光束232分別代表各基色勻光后的傳遞方向和對應的偏振態(tài)。圖像信號模塊4為一個反射式液晶投影光調制器件——LCoS芯片，位于第二 PBS36的一個直角邊，根據(jù)外圍控制電路(未畫出)提供的圖像信號，時序地將紅光光束212，綠光光束222和藍光光束232從第一個偏振態(tài)調制為第二個偏振態(tài)，以形成包含每種顏色成分的彩色圖像。投影鏡頭5位于第二 PBS 36的出射邊，將經(jīng)過第二 PBS36后的攜帶對應圖像信號的紅光光束212，綠光光束222和藍光光束232投影到屏幕上。 在本實施例中，二向分色棱鏡31反射藍激光器23發(fā)出的藍光光束232，而透過紅激光器21發(fā)出的紅光光束212。二向分色棱鏡的特性可以根據(jù)光源的位置來設計，只要能達到將不同基色的光合成為共路光即可。綠光LED 22即可采用普通的綠光LED，也可采用熒光粉激發(fā)的綠光LED以進一步提升輸出亮度。攜帶各自圖像信號的三基色以3倍于幀數(shù)的速度依次通過投影鏡頭5投射出去。由于人眼無法分辨高速的幀數(shù)而合成真彩圖像。本實例只給出可行方案中的一種情況，其他光源布置方案也不脫離本實例的精神。在圖I的基礎上，下面再結合圖2和圖3來詳細解釋各基色光從各自光源2出發(fā)，如何在光管理模塊3和圖像調制模塊4中反射和透射，最后到達投影鏡頭5。圖2給出了紅光光束212和藍光光束232的光路。從紅激光器21和藍激光器23出射的光分別經(jīng)過紅激光擴束整形器211和藍激光擴束整形器231后，進入二向分色棱鏡31。二向分色棱鏡31反射藍光光束232而透過紅光光束212。透過的紅光和反射的藍光進入第一 PBS 32。由于激光光源所具有的高偏振特性,可設置紅光和藍光均為S偏振態(tài)。S偏振的紅光212和藍光232被反射出去經(jīng)聚光透鏡后到達偏振干涉濾光片35。圖3給出了的綠光光束222的光線軌跡及偏振態(tài)。綠光LED 22經(jīng)過其勻光器221，綠光四分之一波片322后，達到第一 I3BS 32。P偏振的綠光直接透射出第一 PBS 32進入后續(xù)光學系統(tǒng)。而S偏振的綠光被第一 PBS 32和反射鏡33反射后原路返回，通過綠光四分之一波片322和綠光勻光器221到達綠光LED 22。經(jīng)過光源反射后，S偏振的綠光再次通過綠光四分之一波片322。S偏振的綠光兩次通過綠光四分之一波片322，其偏振態(tài)從S光變?yōu)镻光，從第一 PBS透射進入后續(xù)光學系統(tǒng)。因此，到達偏振干涉濾光片的P偏振光可以看成兩部分，一部分是經(jīng)過第一 PBS透射的部分，另一部分是本來的S偏振，經(jīng)過反射鏡和四分之一波片偏振轉換重復利用的部分。通過以上分析，從第一 PBS 32出射且達到偏振干涉濾光片35前的三基色偏振態(tài)是不統(tǒng)一的。紅光光束212和藍光光束232為S偏振態(tài)，而綠光光束222則為P偏振態(tài)。如果直接經(jīng)第二 PBS 36進入圖像調制器件4，則綠光光束222將不會被反射到LCoS芯片上，而是透射出去，顯然色彩是不完整的，亮度也大為降低。必須采用具有選擇性光譜偏振旋轉特性的偏振干涉濾光片35。偏振干涉濾光片可以將某一特定光譜范圍內(nèi)的偏振光實現(xiàn)半波偏振旋轉，而其它光譜范圍內(nèi)的偏振光則保持偏振態(tài)不變。根據(jù)本實例的光引擎結構，偏振干涉濾光片35為針對綠光而設計。也即，線偏振綠光經(jīng)過此偏振干涉濾光片后，偏振態(tài)從P旋轉90后成為S，而其補色光譜，紅光和藍光的偏振態(tài)則保持不變，仍然為S光。因此，經(jīng)過偏振干涉濾光片35，在入射到第二 PBS 36之前的三基色偏振態(tài)均為S偏振。為了提高系統(tǒng)的對比度，也可以在第二 PBS 36前加清除偏振片(未畫出)。S偏振的三基色光被第二PBS 36反射后，進入圖像調制模塊4。圖像調制模塊4根據(jù)輸入的各基色的圖像信號，依次將輸入的S偏振的三基色光轉變?yōu)镻偏振的三基色光。P偏振的調制后的三基色光被返回到第二 PBS 36，經(jīng)過透射后進入到投影鏡頭5。值得注意，對于本實用新型的投影光學系統(tǒng)I可以做各種修改以滿足各種需求。例如，可以改變LED和激光的種類和相對位置，采用不同的二向分色鏡來實現(xiàn)光路整合。相對應，偏振干涉濾光片的選擇性光譜偏轉特性也應該根據(jù)光源位置的變化而重新設計。但是，基于本實施例的可行方案，激光和非激光光源能量全部被直接或者回收利用。本實例中所采用三基色布局為二向分色鏡反藍光透紅光，綠光直接透過PBS。這是因為不僅藍光和紅光的光譜波段較遠，對分色薄膜的加工要求低，而且紅激光和藍激光已商業(yè)化，效能較高且成本較低。而對于未商業(yè)化的綠激光，則采用綠光LED或熒光粉激發(fā)的綠光LED，以降低整 個系統(tǒng)的成本。此外，綠光偏振干涉濾光片的光譜帶寬也適中，即不會出現(xiàn)色彩混疊，又不會泄露其它基色，系統(tǒng)配置達到最優(yōu)。實施例2圖4給出了本實用新型的第二個實施例。第二個實施例將紅激光器21和藍激光器23封裝在一起，形成紅藍激光器26。紅藍激光器26發(fā)出的紅光和藍光直接產(chǎn)生相同偏振態(tài)的共路光，而無需二向分色棱鏡31合色。相對于第一個實例，本實例可顯著縮小整機的體積且減少了二向色鏡等器件，有利于投影系統(tǒng)的小型化。圖5給出了第二個實施例中紅光和藍光的光線軌跡及偏振態(tài)。紅藍激光器26發(fā)出的紅光212和藍光232經(jīng)過紅藍激光擴束整形器234后，入射到第一 PBS 32。由于紅藍激光器26產(chǎn)生高偏振的S光,經(jīng)第一 PBS 32后,將被全部反射進入后續(xù)光學系統(tǒng)。圖6給出了第二個實施例中的綠光的光線軌跡及偏振態(tài)。綠光LED 22經(jīng)過綠光勻光器件221后直接達到第一 PBS 32，P偏振的綠光直接透射。而S偏振的綠光被第一 PBS32和反射鏡33反射后原路返回，通過綠光四分之一波片322和綠光勻光器221后到達綠光LED 22。經(jīng)過光源反射后，S偏振的綠光再次通過綠光四分之一波片322。S偏振的綠光兩次通過綠光四分之一波片322，其偏振態(tài)從S光變?yōu)镻光，從第一 PBS出射進入后續(xù)光學系統(tǒng)。實施例3圖7給出了本實用新型的第三個實施例。與第一個實施例相比，本實施例的不同之處在于光源模塊2由藍激光23和25、藍光擴束整形器231、透藍反綠濾光片323、綠光熒光粉板223、綠光擴束整形器224、紅光LED 24和紅光勻光器241組成，為系統(tǒng)提供混合的三基色照明。偏振合色單兀由二向分色棱鏡31、第一 PBS 32、反射鏡33、紅光四分之一波片321、綠光四分之一波片322組成。二向分色棱鏡31將紅光LED 21和藍激光器23發(fā)出的光合成為共路光束，在二向分色棱鏡31對應紅光LED的邊，膠合有紅光四分之一波片321。第一 PBS 32與二向分色棱鏡31膠合在一起，對應綠光的邊膠合有綠光四分之一 322。綠光由藍激光25激發(fā)熒光粉板223產(chǎn)生。紅光四分之一波片321和綠光四分之一波片322設計波長分別對應于各自基色光的中心波長。當某種基色的線偏振光先后兩次通過四分之一波片，其偏振方向旋轉90度。反射鏡33位于第一 PBS 32的P偏振紅光透射光路邊，將透射到其表面的基色光按原路返回以提高系統(tǒng)光重復利用率。本實施例采用激光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生投影所需的綠光，進一步提升了整機的輸出亮度。圖8給出了第三個實施例中藍光和綠光的光線軌跡及偏振態(tài)。藍激光器23經(jīng)過藍激光擴束整形器231后，被二向色棱鏡31反射進入第一 PBS 32。由于藍激光具有S偏振態(tài)，被第一 PBS 32反射進入后續(xù)系統(tǒng)。而另一個藍激光器25先透過透藍反綠濾光片323后照射于綠光熒光粉板223上，綠光熒光粉被藍激光激發(fā)產(chǎn)生綠光，經(jīng)擴束整形器件224后，進入第一 PBS。對于綠光222，本身的高偏振度藍激光經(jīng)過綠光熒光粉板223后，其偏振態(tài)有一定的影響。其中P偏振的綠光直接經(jīng)第一 PBS出射，而S偏振的光經(jīng)過第一 PBS 32和 反射鏡33反射后再次返回且透過綠光熒光粉板223，當遇到透藍反綠濾光片323時，綠光被原路返回，再次經(jīng)過綠光四分之一波片322后，S偏振的綠光將成為P偏振光從第一 PBS透射出去。圖9給出了第三個實施例中紅光的光線軌跡及偏振態(tài)。從紅光LED 24出射的光經(jīng)過紅光勻光器241、紅光四分之一波片321和二向分色棱鏡31透射后進入第一 PBS 32，被分解為相互正交的偏振光束S和P。S光被直接反射進入后續(xù)光學系統(tǒng)。P光透過第一PBS 32經(jīng)反射鏡33反射后沿原路返回，透過第一 PBS 32、二向分色棱鏡31和紅光四分之一波片321后，返回到紅光LED 24。經(jīng)過光源反射后，P偏振的紅光再次通過紅光四分之一波片321。P偏振光兩次通過四分之一波片后,其偏振態(tài)從P光變?yōu)镾光。此時，S偏振態(tài)的紅光透過二向分色棱鏡31，進入到第一 PBS 32后，被反射進入后續(xù)光學系統(tǒng)。實施例4圖10給出了本實用新型的第四個實施例。相對于第三實施例，本實施例采用紅激光器21和紅激光擴束整形器211替代紅光LED 24和紅光勻光器241，可在此基礎上提高紅光能量。由于藍光部分和綠光部分保持不變，因此藍光232和綠光222的光線軌跡如圖8所示。圖11給出了第四個實施例中紅光的光線軌跡。從紅激光器21出射的光經(jīng)過紅激光擴束整形器211后,透過二向分色棱鏡31后進入第一 PBS 32。由于激光光源所具有的高偏振特性，可設置紅光為S偏振態(tài)。S偏振的紅光212被全部反射進入后續(xù)光學系統(tǒng)。實施例5圖12給出了本實用新型的第五個實施例。相對于第四實施例，本實施例采用第二二向色棱鏡37代替第一 PBS 32。紅激光器21經(jīng)紅光擴束整形器211后透過二向色棱鏡31，藍激光器23經(jīng)藍光擴束整形器231后被二向色棱鏡31反射進入第二二向色棱鏡37。二向色棱鏡31和第二二向色棱鏡37特性由光源位置而定，只要能達到三基色光合成為同路光即可。第二藍激光器25激發(fā)綠光突光粉板223產(chǎn)生的綠光,與紅光和藍光形成同一偏振態(tài)的三基色。通過聚光透鏡后，進入第二 PBS，而無需偏振干涉濾光片。相對于采用第一PBS的偏振合色單元，雙二向色棱鏡結構無法實現(xiàn)偏振光的重復利用，必然導致非第二偏振態(tài)的光不能被重復利用，但相對成本較低。實施例6[0066]圖13給出了本實用新型的第六個實施例。相對于第五個實施例，本實施例將紅激光21和藍激光23封裝在一起，形成紅藍激光器26，綠光仍采用藍激光器25激發(fā)熒光粉板223產(chǎn)生。這使得整機的體積最小，器件最少，成本最低，有利于投影系統(tǒng)的進一步微型化和市場化。雖然已經(jīng)參照所述實施例描述了本實用新型的各種特性和優(yōu)點，但本領域技術人員將會理解，可以對其部件的形狀，尺寸和布局等作出改變，而不會脫離本實用 新型的精神和范圍。實例中，雖然已經(jīng)顯示了具體的組件類型，但也可以使用其它類似的和合適的替代物。因此，以上描述意在提供本實用新型的示范實施例，而本實用新型范圍并不受此提供的具體范例的限制。
權利要求1.一種混合光源液晶投影光引擎系統(tǒng)，它包括光源模塊(2)，偏振光管理模塊(3)，圖像信息模塊(4)和投影鏡頭(5)，光管理模塊(3)由偏振合色單元、聚光透鏡(34)、偏振干涉濾光片(35)和第二 PBS (36)依次同軸排列組成；圖像信息模塊(4)位于第二 PBS (36)的一個直角邊，投影鏡頭(5)位于第二 PBS (36)的出射邊；其特征在于，所述光源模塊(2)包括紅激光器(21)、藍激光器(23)、綠光LED(22)、紅激光擴束整形器(211)、藍激光擴束整形器(231)和綠光勻光器(221)，綠光LED (22)和綠光勻光器(221)相連；偏振合色單元由二向分色棱鏡(31)、第一 PBS (32),反射鏡(33)和綠光四分之一波片(322)組成，二向分色棱鏡(31)和第一 PBS (32)相膠合；綠光四分之一波片(322)位于第一 PBS (32)上綠光LED(22)的入射面，反射鏡(33)位于第一 PBS (32)上綠光LED (22)發(fā)出的S光的出射面，紅激光器(21)發(fā)出的光經(jīng)紅激光擴束整形器(211)擴束整形后，入射二向分色棱鏡(31 )，藍激光器(23)發(fā)出的光經(jīng)藍激光擴束整形器(231)擴束整形后，也入射二向分色棱鏡(31 )，綠光LED (22)發(fā)出的光經(jīng)綠光勻光器件(221)勻光整形后，入射到第一 PBS (32)。
2.一種混合光源液晶投影光引擎系統(tǒng)，它包括光源模塊(2)，偏振光管理模塊(3)，圖像信息模塊(4)和投影鏡頭(5)，光管理模塊(3)由偏振合色單元、聚光透鏡(34)、偏振干涉濾光片(35)和第二 PBS (36)依次同軸排列組成；圖像信息模塊(4)位于第二 PBS (36)的一個直角邊，投影鏡頭(5)位于第二 PBS (36)的出射邊；其特征在于，所述光源模塊(2)包括紅藍激光器(26)、綠光LED (22)、紅藍激光擴束整形器(234)、綠光勻光器(221)，紅藍激光器(23)和紅藍激光擴束整形器(234)相連，綠光LED (22)和綠光勻光器(221)相連；偏振合色單元由第一 PBS (32)、反射鏡(33)和綠光四分之一波片(322)組成；綠光四分之一波片(322)位于第一 PBS (32)上綠光LED (22)的入射面，反射鏡(33)位于第一 PBS (32)上綠光LED (22)發(fā)出的S光的出射面，紅藍激光器(26)位于反射鏡(33)在第一 PBS (32)的相對側，紅藍激光擴束整形器(234)位于紅藍激光器(23)和第一 PBS (32)之間。
3.一種混合光源液晶投影光引擎系統(tǒng)，它包括光源模塊(2)，偏振光管理模塊(3)，圖像信息模塊(4)和投影鏡頭(5)，光管理模塊(3)由偏振合色單元、聚光透鏡(34)、偏振干涉濾光片(35)和第二 PBS (36)依次同軸排列組成；圖像信息模塊(4)位于第二 PBS (36)的一個直角邊，投影鏡頭(5)位于第二 PBS (36)的出射邊；其特征在于，所述光源模塊(2)包括藍激光器(23)和第二藍激光器(25)、藍激光擴束整形器(231)、透藍反綠濾光片(323)、綠光熒光板(223)、綠光擴束整形器(224)、紅光LED (24)和紅光勻光器(241)，偏振合色單兀由二向分色棱鏡(31)、第一 PBS (32)、反射鏡(33)、紅光四分之一波片(321)、綠光四分之一波片(322)組成；二向分色棱鏡(31)和第一 PBS (32)膠合；第二藍激光器(25)、透藍反綠濾光片(323)、綠光熒光板(223)和第一 PBS (32)依次同軸排列，第二藍激光器(25)發(fā)出的藍激光透過透藍反綠濾光片(323)后激發(fā)綠光熒光板(223)，形成綠光，并入射到第一PBS (32)，綠光四分之一波片(322)位于該入射面；反射鏡(33)位于第一 PBS (32)上綠光的S光的出射面；藍激光器(23)發(fā)出的光經(jīng)藍激光擴束整形器(231)擴束整形后入射二向分色棱鏡(31)，紅光LED (24)發(fā)出的光經(jīng)紅光勻光器件(241)勻光整形后也入射第一 PBS(32)。
4.一種混合光源液晶投影光引擎系統(tǒng)，它包括光源模塊(2)，偏振光管理模塊(3)，圖像信息模塊(4)和投影鏡頭(5)，光管理模塊(3)由偏振合色單元、聚光透鏡(34)、偏振干涉濾光片(35)和第二 PBS (36)依次同軸排列組成；圖像信息模塊(4)位于第二 PBS (36)的一個直角邊，投影鏡頭(5)位于第二 PBS (36)的出射邊；其特征在于，所述光源模塊(2)包括藍激光器(23)和第二藍激光器(25)、藍激光擴束整形器(231)、藍綠濾光片(323)、綠光熒光板(223)、綠光擴束整形器(224)、紅激光器(21)和紅激光擴束整形器(211)，偏振合色單元由二向分色棱鏡(31)、第一 PBS (32)、反射鏡(33)、綠光四分之一波片(322)組成；二向分色棱鏡(31)和第一 PBS (32)膠合；第二藍激光器(25)、透藍反綠濾光片(323)、綠光熒光板(223)和第一 PBS (32)依次同軸排列，第二藍激光器(25)發(fā)出的藍色激光透過藍綠濾光片(323)后激發(fā)綠光熒光板(223)，形成綠光，并入射第一 PBS (32)，綠光四分之一波片(322)位于該入射面；反射鏡(33)位于第一 PBS (32)上綠光的S光的出射面；藍激光器(23)發(fā)出的光經(jīng)藍激光擴束整形器(231)擴束整形后入射二向分色棱鏡(31)，紅激光器(21)發(fā)出的光經(jīng)紅激光擴束整形器(211)擴束整形后也入射二向分色棱鏡(31 )。
5.—種混合光源液晶投影光引擎系統(tǒng),它包括光源模塊(2),偏振光管理模塊(3),圖像信息模塊(4)和投影鏡頭(5)，光管理模塊(3)由偏振合色單元、聚光透鏡(34)、偏振干涉濾光片(35)和第二 PBS (36)依次同軸排列組成；圖像信息模塊(4)位于第二 PBS (36)的一個直角邊，投影鏡頭(5)位于第二 PBS (36)的出射邊；其特征在于，所述光源模塊(2)包括藍激光器(23)和第二藍激光器(25)、藍激光擴束整形器(231)、綠光熒光板(223)、綠光擴束整形器(224)、紅激光器(21)和紅激光擴束整形器(211)，偏振合色單元由二向分色棱鏡(31)和第二二向分色棱鏡(37)組成；二向分色棱鏡(31)和第二二向分色棱鏡(37)膠合；第二藍激光器(25)、綠光熒光板(223)、綠光擴束整形器件(224)和第二二向分色棱鏡(37)依次同軸排列，第二藍激光器(25)發(fā)出的藍激光激發(fā)綠光熒光板(223)，形成的綠光入射第二二向分色棱鏡(37);藍激光器(23)發(fā)出的光經(jīng)藍激光擴束整形器(231)擴束整形后入射二向分色棱鏡(31)，紅激光器(21)發(fā)出的光經(jīng)紅激光擴束整形器(211)擴束整形后也入射二向分色棱鏡(31)。
6.—種混合光源液晶投影光引擎系統(tǒng),它包括光源模塊(2),偏振光管理模塊(3),圖像信息模塊(4)和投影鏡頭(5)，光管理模塊(3)由偏振合色單元、聚光透鏡(34)、偏振干涉濾光片(35)和第二 PBS (36)依次同軸排列組成；圖像信息模塊(4)位于第二 PBS (36)的一個直角邊，投影鏡頭(5)位于第二 PBS (36)的出射邊；其特征在于，所述光源模塊(2)包括第二藍激光器(25)、綠光熒光板(223)、綠光擴束整形器(224)、紅藍激光器(26)和紅藍激光擴束整形器(234)，偏振合色單元為第二二向分色棱鏡(37);第二藍激光器(25)、綠光熒光板(223 )、綠光擴束整形器件(224)和第二二向分色棱鏡(37 )依次同軸排列，第二藍激光器(25)發(fā)出的藍色激光激發(fā)綠光突光板(223),形成的綠光,并入射第二二向分色棱鏡(37);紅藍激光器(23)發(fā)出的紅光和藍光經(jīng)紅藍激光擴束整形器(234)擴束整形后入射第二二向分色棱鏡(37)。
專利摘要本實用新型提供了一種混合光源液晶投影光引擎系統(tǒng)，該便攜式液晶投影光引擎系統(tǒng)由光源模塊，偏振光管理模塊，圖像信號模塊和投影鏡頭組成。光源模塊由高亮度激光、非相干性LED固體光源及熒光器件等組成，極大程度地提升了投影系統(tǒng)的輸出亮度且安全環(huán)保，投影的圖像色彩鮮艷，畫質清晰。偏振光管理模塊由合色棱鏡、偏振分束棱鏡(PBS)以及偏振合色器件等組成，將不同偏振態(tài)的三基色混合光整合為同一偏振光并照向圖像信號模塊；圖像信號模塊為單片反射式液晶光調制器件，根據(jù)各基色對應的圖像信號，時序地將圖像信號加載于三基色偏振光；投影鏡頭將攜帶圖像信號的光投影于屏幕上。
文檔編號G02B27/18GK202583681SQ20122016950
公開日2012年12月5日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權日2012年4月20日
發(fā)明者陸巍, 賀銀波 申請人:杭州研明光電技術有限公司