專利名稱：一種用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種投影顯示系統(tǒng)，尤其涉及一種用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
投影顯示已經(jīng)成為大屏幕高清晰動(dòng)態(tài)顯示的主流方式，廣泛應(yīng)用于商務(wù)、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(xué)、加工工藝等諸多技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及現(xiàn)代商務(wù)移動(dòng)辦公模式的普及和手持?jǐn)?shù)碼產(chǎn)品的增多，微型化又成為投影顯示技術(shù)發(fā)展的新方向。微型投影機(jī)具有輕巧和使用方便等顯著優(yōu)點(diǎn)，可與各類消費(fèi)電子產(chǎn)品相結(jié)合，這使得微型投影的應(yīng)用變得無限廣闊。微型投影機(jī)在體積、功耗和亮度方面都有一定的要求，且在某種程度上相互制約。微型投影的總體目標(biāo)是縮小體積、降低功耗和提高亮度。要達(dá)到這三方面的要求，就必須在光源、光調(diào)制器件、光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)器件等多方面做很大的改進(jìn)甚至革新。目前，微型投影主要以 DLP (Digital Lighting Processor)和 LCoS (Liquid Crystal on Silicon)技術(shù)為主。DLP和LCoS技術(shù)均為陣列反射式投影技術(shù)。DLP技術(shù)具有反射率高且無需偏振光等優(yōu)點(diǎn)，但其芯片DMD (Digital Mirror Device)制程極其復(fù)雜， 為TI公司獨(dú)家掌控，分辨率難以大幅提高，且價(jià)格昂貴。LCoS是LCD與CMOS集成電路有機(jī)結(jié)合的反射式新型顯示技術(shù)，可以看作是取LCD和DLP兩家之所長的改良型技術(shù)，具備兩者之諸多優(yōu)點(diǎn)。像素尺寸可以做小到約5 μ m左右，對(duì)于分辨率高達(dá)2048X2048的基板，其大小還不到一英寸。LCoS開口率可高達(dá)96%，色彩更加豐富逼真，圖像無像素感，畫面邊緣更自然。LCoS的前道工藝為半導(dǎo)體CMOS制程，技術(shù)已經(jīng)十分成熟，良品率的提高自然導(dǎo)致成本的降低。因此，LCoS技術(shù)非常適合微型投影對(duì)小體積，高分辨率和低成本的苛刻要求。微型投影均采用高亮度LED作為照明光源。LED以其體積小、壽命長、環(huán)保、光效高等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為微型投影的必然選擇。采用三基色LED作為光源，可以大幅提升投影機(jī)的色域表現(xiàn)能力。其快速響應(yīng)特性，可為時(shí)序式彩色投影顯示提供脈沖照明。LED發(fā)光光譜中不含紅外成分，屬于冷光源。這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，決定了 LED光源在微型顯示中的重要地位。雖然，目前的LED光通量普遍不高，而且其單位光學(xué)擴(kuò)展量上的光通量要低于傳統(tǒng)投影光源，相信隨著LED本身發(fā)光效率的提高和封裝水平的改進(jìn)，LED光源效率將更為高效。專利CN101713501A就提出對(duì)LED采用光學(xué)曲面封裝，直接產(chǎn)生小角度的線偏振光，為微型液晶微投提供照明。隨著LCoS和LED技術(shù)的不斷提升，要進(jìn)一步提高微型投影的性能，就需要一個(gè)高效的偏振光管理系統(tǒng)——光引擎，傳統(tǒng)的光引擎已經(jīng)成為微型投影發(fā)展的一個(gè)瓶頸。為了提高整機(jī)亮度和色彩飽和度，現(xiàn)在普遍采用三基色LED作為照明光源。利用LED本身所具有的快速響應(yīng)特性，為單片式微型投影芯片提供脈沖照明。既然采用三基色LED，就必須將不同基色的光高效地以某一特定的信號(hào)順序傳遞給光調(diào)制器件。傳統(tǒng)的投影顯示光引擎基本采用X-Cube棱鏡(US6018418)和雙二向分色棱鏡的方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于X_Cube，三基色光源位于其三個(gè)邊，由于三基色光在光譜上的不同，合成為共路光束，從X-Cube的第四邊出射。采用雙二向分色棱鏡，則通過兩次基色合成完成。首先其中兩基色經(jīng)過第一塊二向分色(棱)鏡后合成為第三種基色的補(bǔ)色，之后再經(jīng)過第二塊二向分色(棱)鏡而合成為共路光束。無論采用哪種方式合成三基色共路光，都需要經(jīng)過起偏器產(chǎn)生液晶顯示所需的偏振光， 這意味著在光源部分就有一半的光能量損失掉，使得整機(jī)的光學(xué)效率大大降低。這對(duì)本身亮度就很低的微投光機(jī)來說，實(shí)不可取。雖然，目前也有一些技術(shù)來努力改善，比如采用反射式偏振片，以提高另一種偏振光的利用，但提升幅度有限，始終未能跳出傳統(tǒng)光引擎結(jié)構(gòu)的束縛。鑒于現(xiàn)有的微投光引擎都不能從根本上提高整機(jī)效率，以增加亮度輸出，因此一種能有效控制和利用兩種偏振態(tài)的光引擎結(jié)構(gòu)對(duì)投影顯示是非常必要的。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)，本實(shí)用新型將LED光經(jīng)過偏振器件后的兩種正交偏振光重復(fù)利用，以提高整機(jī)的光學(xué)利用率和整機(jī)效率。本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)，它包括光源模塊，偏振光管理模塊， 圖像信息模塊和投影鏡頭。其中，所述光源模塊包括紅光LED、綠光LED、藍(lán)光LED、紅光勻光器件、綠光勻光器件和藍(lán)光勻光器件，紅光LED和紅光勻光器件相連，綠光LED和綠光勻光器件相連，藍(lán)光LED和藍(lán)光勻光器件相連。光管理模塊由偏振合色單元、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(gè)直角邊，投影鏡頭位于第二 PBS的出射邊。進(jìn)一步地，所述偏振合色單元由二向分色棱鏡、第一 PBS、反射鏡、紅光四分之一波片、綠光四分之一波片、藍(lán)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。紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED中，任意兩個(gè)LED發(fā)出的光入射二向分色棱鏡，最后一個(gè)LED發(fā)出的光入射第一 PBS，紅光四分之一波片、綠光四分之一波片和藍(lán)光四分之一波片分別膠合在二向分色棱鏡和第一 PBS相應(yīng)的入射面上；反射鏡位于第一 PBS上，最后一個(gè)LED發(fā)出的光的S光的出射面，使得未進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復(fù)利用。進(jìn)一步地，所述偏振合色單元由平行四邊形棱鏡、兩個(gè)第一直角棱鏡、反射鏡、紅光四分之一波片、綠光四分之一波片、藍(lán)光四分之一波片組成，其中，平行四邊形棱鏡的一個(gè)合色面上鍍上二向分色膜后膠合一個(gè)第一直角棱鏡，平行四邊形棱鏡的另一個(gè)合色面上鍍上偏振分束膜后膠合一個(gè)第一直角棱鏡。紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED中，任意兩個(gè)LED 發(fā)出的光分別入射兩個(gè)第一直角棱鏡，最后一個(gè)LED發(fā)出的光入射平行四邊形棱鏡，紅光四分之一波片、綠光四分之一波片和藍(lán)光四分之一波片分別膠合在平行四邊形棱鏡和兩個(gè)第一直角棱鏡相應(yīng)的入射面上；反射鏡位于最后一個(gè)LED發(fā)出的光的P光的出射面。進(jìn)一步地，所述偏振合色單元由二向分色棱鏡、第一 PBS、反射鏡、兩塊寬波段四分之一波片組成。其中，二向分色棱鏡和第一 PBS分別膠合在一塊寬波段四分之一波片的兩面。紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED中，任意兩個(gè)LED發(fā)出的光入射二向分色棱鏡，最后一個(gè) LED發(fā)出的光入射第一 PBS，另一塊寬波段四分之一波片膠合在第一 PBS的入射面上；反射鏡位于第一 PBS上，最后一個(gè)LED發(fā)出的光的S光的出射面，使得未進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光
重復(fù)利用。進(jìn)一步地，所述偏振合色單元由二向分色鏡、第一 PBS、反射鏡、兩塊寬波段四分之一波片組成。其中，兩塊寬波段四分之一波片分別膠合在第一 PBS 32的兩面。紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED中，任意兩個(gè)LED發(fā)出的光通過二向分色鏡和一塊寬波段四分之一波片入射二向分色棱鏡，最后一個(gè)LED發(fā)出的光通過另一塊寬波段四分之一波片入射第一 PBS; 反射鏡位于第一 PBS上，最后一個(gè)LED發(fā)出的光的S光的出射面，使得未進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復(fù)利用。進(jìn)一步地，所述偏振合色單元由第二直角棱鏡、兩個(gè)第一直角棱鏡、反射鏡、紅光四分之一波片、綠光四分之一波片、藍(lán)光四分之一波片、第二反射鏡組成，其中，第二直角棱鏡的一個(gè)合色面上鍍上二向分色膜后膠合一個(gè)第一直角棱鏡，第二直角棱鏡的另一個(gè)合色面上鍍上偏振分束膜后也膠合一個(gè)第一直角棱鏡。紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED中，任意一個(gè)LED發(fā)出的光入射第一直角棱鏡，一個(gè)LED發(fā)出的光入射第二直角棱鏡，最后一個(gè)LED 發(fā)出的光通過第二反射鏡入射另一個(gè)第一直角棱鏡，紅光四分之一波片、綠光四分之一波片和藍(lán)光四分之一波片分別膠合在第二直角棱鏡和兩個(gè)第一直角棱鏡相應(yīng)的入射面上；反射鏡位于最后一個(gè)LED發(fā)出的光的S光的出射面。進(jìn)一步地，所述偏振合色單元由二向分色棱鏡、第一 PBS、反射鏡、兩塊寬波段四分之一波片、第二反射鏡組成。其中，二向分色棱鏡和第一 PBS分別膠合在一塊寬波段四分之一波片的兩面。紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED中，任意兩個(gè)LED發(fā)出的光入射二向分色棱鏡，最后一個(gè)LED發(fā)出的光通過第二反射鏡入射第一 PBS，另一塊寬波段四分之一波片膠合在第一 PBS的入射面上；反射鏡位于第一 PBS上，最后一個(gè)LED發(fā)出的光的S光的出射面， 使得未進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復(fù)利用。進(jìn)一步地，所述偏振合色單元由二向分色鏡、第一 PBS、反射鏡、兩塊寬波段四分之一波片組成。其中，兩塊寬波段四分之一波片分別膠合在第一 PBS的兩面。紅光LED、綠光 LED和藍(lán)光LED中，任意兩個(gè)LED發(fā)出的光通過二向分色鏡和一塊寬波段四分之一波片入射二向分色棱鏡，最后一個(gè)LED發(fā)出的光通過另一塊寬波段四分之一波片入射第一 PBS ；反射鏡位于第一 PBS上，最后一個(gè)LED發(fā)出的光的S光的出射面，使得未進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復(fù)利用。進(jìn)一步地，所述偏振合色單元還包括一個(gè)第二反射鏡，所述最后一個(gè)LED發(fā)出的光通過第二反射鏡入射第一 PBS。本實(shí)用新型的有益效果是，根據(jù)彩色時(shí)序顯示的特點(diǎn)，在某一時(shí)刻，只有一種基色 LED被點(diǎn)亮。然而，無論哪種基色LED被點(diǎn)亮，其兩種偏振態(tài)的光都能在本實(shí)用新型的光引擎中被充分利用，從而避免傳統(tǒng)投影系統(tǒng)中，一種偏振光被吸收或者浪費(fèi)的缺點(diǎn)。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)的光利用率達(dá)到最大化，提高了整機(jī)的光學(xué)效率和整體亮度。

圖1是本實(shí)用新型的第一個(gè)實(shí)施例的反射式液晶投影顯示光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2中，(a)是本實(shí)用新型的第一個(gè)實(shí)施例中第一基色的光線軌跡圖；(b)是本實(shí)用新型的第一個(gè)實(shí)施例中第三基色的光線軌跡圖；(c)是本實(shí)用新型的第一個(gè)實(shí)施例中第二基色的光線軌跡圖；圖3是本實(shí)用新型的第二個(gè)實(shí)施例的反射式液晶投影顯示光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4是本實(shí)用新型的第三個(gè)實(shí)施例的反射式液晶投影顯示光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖5是本實(shí)用新型的第四個(gè)實(shí)施例的反射式液晶投影顯示光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖6是本實(shí)用新型的第五個(gè)實(shí)施例的反射式液晶投影顯示光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖7是本實(shí)用新型的第六個(gè)實(shí)施例的反射式液晶投影顯示光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖8是本實(shí)用新型的第七個(gè)實(shí)施例的反射式液晶投影顯示光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖9是本實(shí)用新型的第八個(gè)實(shí)施例的反射式液晶投影顯示光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖10是本實(shí)用新型的實(shí)例中采用得的綠基色偏振干涉濾光片的模擬和測(cè)量光譜曲線。圖11中，(a)是傳統(tǒng)的四分之一波片的光譜圖，(b)是寬波段四分之一波片的光譜圖；圖中反射式液晶投影顯示系統(tǒng)1、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、紅光LED 21、綠光LED 22、藍(lán)光LED23、紅光勻光器件211、紅光光束212、綠光勻光器件221、綠光光束222、藍(lán)光勻光器件231、藍(lán)光光束232、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、二向分色鏡37、第二反射鏡38、紅光四分之一波片321、綠光四分之一波片322、藍(lán)光四分之一波片323、寬波段四分之一波片324、平行四邊形棱鏡39、第一直角棱鏡40，第二直角棱鏡41。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型包括光源模塊，偏振光管理模塊，圖像信號(hào)模塊和投影鏡頭。光源模塊提供照明，為了提高投影系統(tǒng)的色彩度和亮度，本實(shí)用新型采用三基色(即紅、綠、藍(lán)三色) LED。三基色LED本身就產(chǎn)生單色性很好的光，且具有納秒量級(jí)的響應(yīng)速度，可以為時(shí)序式顯示提供高效照明。光管理模塊包括一個(gè)二向分色棱鏡，兩個(gè)PBS (Polarization Beam Splitter，偏振分束器)和一個(gè)偏振干涉濾光片等。二向分色棱鏡將紅光和藍(lán)光合成為共路光，經(jīng)過第一 PBS后，分解成相互正交的第一偏振光和第二偏振光。第一偏振光直接被反射出去，而第二偏振光透射過第一 PBS，經(jīng)過反射鏡和四分之一波片后變?yōu)榈谝黄窆?，與先前的第一偏振光合并，實(shí)現(xiàn)光的重復(fù)利用。藍(lán)光直接經(jīng)過第一 PBS后分解成第一偏振態(tài)和第二偏振態(tài)。第二偏振光直接透射出去，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后變?yōu)榈诙窆?，與先前的第二偏振光合并，實(shí)現(xiàn)光的重復(fù)利用。紅光和藍(lán)光的第一偏振光和綠光的第二偏振光，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(jìn)入圖像信號(hào)調(diào)制模塊。圖像信號(hào)調(diào)制模塊為一塊位于第二 PBS —直角邊的反射式液晶圖像調(diào)制器件LCoS，根據(jù)輸入的圖像信號(hào)，對(duì)輸入三基色光分時(shí)序調(diào)制，攜帶圖像信息的調(diào)制光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度后，透過第二塊PBS進(jìn)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(diào)制器件后攜帶對(duì)應(yīng)圖像信息的光于屏幕上。本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容，特性和優(yōu)點(diǎn)等，將參照附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。在不脫離本實(shí)用新型范圍的情況下，可以對(duì)其作出結(jié)構(gòu)和其他方面的改變，而作為其他實(shí)施例。各個(gè)實(shí)施例及其每個(gè)不同實(shí)施例的各個(gè)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(zhì)上將被看作是描述性的而非限制性的。應(yīng)當(dāng)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(shí)施例1圖1給出了本實(shí)用新型的第一個(gè)用于反射式液晶投影顯示系統(tǒng)1的實(shí)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包括紅光LED 21、綠光LED 22、藍(lán)光LED23、紅光勻光器件211、綠光勻光器件221和藍(lán)光勻光器件231，紅光LED 21和紅光勻光器件211相連，綠光LED 22和綠光勻光器件221相連，藍(lán)光LED23和藍(lán)光勻光器件231相連。紅光LED 21、綠光LED 22、藍(lán)光LED23發(fā)射的三基色自然光分別經(jīng)過紅光勻光器件211、綠光勻光器件221和藍(lán)光勻光器件231后收集成為照明所需的小角度矩形光束紅光光束212、綠光光束222、藍(lán)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(shí)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、 紅光四分之一波片321、綠光四分之一波片322、藍(lán)光四分之一波片323組成。二向分色棱鏡31將紅光LED21和藍(lán)光LED23發(fā)出的光合成為共路光束，在二向分色棱鏡31對(duì)應(yīng)紅藍(lán)光源的兩邊，分別膠合有紅光四分之一波片321和藍(lán)光四分之一波片 323。第一 PBS 32與二向分色棱鏡31膠合在一起，對(duì)應(yīng)綠光LED22的邊膠合有綠光四分之一波片322。第一 PBS 32反射各基色的第一偏振光而透射其第二偏振光。紅光四分之一波片321、綠光四分之一波片322、藍(lán)光四分之一波片323的設(shè)計(jì)波長分別對(duì)應(yīng)于各自基色光的中心波長，當(dāng)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(zhuǎn)90 度。反射鏡33位于第一 PBS 32的透射光路邊，將透射到其表面的各基色光按原路返回以提高系統(tǒng)光重復(fù)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(shí)現(xiàn)選擇性光譜的偏振旋轉(zhuǎn)，對(duì)于期望波段的偏振光旋轉(zhuǎn)90 度，而其他波段的偏振光保持偏振態(tài)不變，從而實(shí)現(xiàn)不同光譜基色偏振光的偏振整合。紅光光束212，綠光222，藍(lán)光232分別代表各基色勻光后的傳遞方向和對(duì)應(yīng)的偏振態(tài)。圖像信號(hào)模塊4為一個(gè)反射式液晶投影光調(diào)制器件——LCoS芯片，位于第二 PBS 36的一個(gè)直角邊，根據(jù)外圍控制電路(未畫出)提供的圖像信號(hào)，時(shí)序地將紅光光束212，綠光光束222和藍(lán)光光束232從第一個(gè)偏振態(tài)調(diào)制為第二個(gè)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(duì)應(yīng)圖像信號(hào)的紅光光束212，綠光光束222和藍(lán)光光束232投影到屏幕上。在本實(shí)例中，二向分色棱鏡31反射藍(lán)光LED23發(fā)出的藍(lán)光232，而透過紅光LED21 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(shè)計(jì)，只要能達(dá)到將不同基色的光合成為共路光即可。紅光LED21和藍(lán)光LED23具有相同的光程，而綠光LED22光程相對(duì)少一個(gè)二向分色棱鏡的光學(xué)厚度，因此要遠(yuǎn)離第一 PBS，以達(dá)到三基色具有相同的光程。攜帶各自圖像信號(hào)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(shí)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(shí)例的精神。在圖1的基礎(chǔ)上，下面再結(jié)合圖2 (a), 2 (b)和2 (c)來詳細(xì)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(diào)制模塊4中反射和透射，最后到達(dá)投影鏡頭5。圖2 (a)和圖2 (b)分別給出了紅光光束212和藍(lán)光光束232的光路。從紅光 LED 21和藍(lán)光LED 23出射的光分別經(jīng)過紅光勻光器件211和藍(lán)光勻光器件231后，進(jìn)入二向分色棱鏡31。二向分色棱鏡鏡31反射藍(lán)光光束232而透過紅光光束212。透過的紅光和反射的藍(lán)光進(jìn)入第一 PBS 32，被分解為相互正交的偏振光束S和P。S光被反射出去經(jīng)聚光透鏡后到達(dá)偏振干涉濾光片35。P光透過后經(jīng)反射鏡33沿原路返回，再次透過第一 PBS 32和二向分色棱鏡31。P偏振的紅光和藍(lán)光分別透過紅光四分之一波片321和藍(lán)光四分之一波片323，返回光源模塊2。經(jīng)過光源反射后，P偏振的紅光和藍(lán)光再次通過紅光四分之一波片321和藍(lán)光四分之一波片323。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(shí)，S偏振態(tài)的紅光被二向分色棱鏡31透射，藍(lán)光被反射。進(jìn)入到第一 PBS后， S偏振的紅光和藍(lán)光將被反射透過聚光透鏡達(dá)到偏振干涉濾光片35。因此，到達(dá)偏振干涉濾光片的S偏振光可以看成兩部分，一部分是經(jīng)過第一 PBS反射后的部分，另一部分是本來的P偏振，經(jīng)過反射鏡和四分之一波片偏振轉(zhuǎn)換重復(fù)利用的部分?？傊_(dá)到偏振干涉濾光片35的紅光和藍(lán)光均為S偏振態(tài)。圖2 (c)給出了的綠光光束222的行走路線。綠光LED 22經(jīng)過其勻光器件221 后直接達(dá)到第一 PBS，P偏振的綠光直接透射，經(jīng)聚光透鏡34后到達(dá)偏振干涉濾光片35。而 S偏振的綠光被反射，被反射鏡33反射后第一次通過綠光四分之一波片322，經(jīng)過光源反射后再次通過綠光四分之一波片322。此時(shí)，S偏振將轉(zhuǎn)化為P偏振，通過聚光鏡片34到達(dá)偏振干涉濾光片35。通過以上分析，達(dá)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(lán)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(jìn)入圖像調(diào)制器件4，則綠光光束222將不會(huì)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。因此，本實(shí)用新型中必須引入具有選擇性光譜偏振旋轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)半波偏振旋轉(zhuǎn)，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(shí)例的光引擎結(jié)構(gòu)，偏振干涉濾光片35為針對(duì)綠光而設(shè)計(jì)。圖10給出了綠基色偏振干涉濾光片的模擬和實(shí)測(cè)光譜特性。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(zhuǎn)90后成為S，而其補(bǔ)色光譜，紅光和藍(lán)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(duì)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(jìn)入圖像調(diào)制模塊 4。圖像調(diào)制模塊4根據(jù)輸入的各基色的圖像信號(hào)，依次將輸入的S偏振的三基色光轉(zhuǎn)變?yōu)?P偏振的三基色光。P偏振的調(diào)制后的三基色光被返回到第二 PBS 36，經(jīng)過透射后進(jìn)入到投影鏡頭5。值得注意，對(duì)于本實(shí)用新型的投影光學(xué)系統(tǒng)1可以做各種修改以滿足各種需求。 例如，可以改變?nèi)南鄬?duì)位置，采用不同的二向分色鏡來實(shí)現(xiàn)光路整合。相對(duì)應(yīng)，偏振干涉濾光片的選擇性光譜偏轉(zhuǎn)特性也應(yīng)該根據(jù)光源位置的變化而重新設(shè)計(jì)。本實(shí)例中所采用三基色布局為二向分色鏡反藍(lán)光透紅光，綠光直接透過PBS。這是因?yàn)樗{(lán)光和紅光的光譜波段較遠(yuǎn)，對(duì)分色薄膜的加工要求低，且會(huì)避免色彩混疊。而對(duì)于相鄰的三基色，這就要求分色薄膜的過渡帶寬要很窄，增加的膜系的設(shè)計(jì)難度和系統(tǒng)成本。綠光偏振干涉濾光片的
9光譜帶寬也適中，即不會(huì)出現(xiàn)色彩混疊，又不會(huì)泄露其它基色，系統(tǒng)配置達(dá)到最優(yōu)。此外，為了進(jìn)一步縮小光引擎體積，可以將聚光透鏡置于各勻光器件部分，而將偏振干涉濾光片膠合于第一和第二 PBS之間，實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件集成化，以提高整體的光學(xué)特性。 這個(gè)改動(dòng)也可以應(yīng)用于以下的各個(gè)實(shí)例中。實(shí)施例2圖3給出了本實(shí)用新型的第二個(gè)實(shí)例。其相對(duì)于第一個(gè)實(shí)例，第二個(gè)實(shí)例的偏振合色單元中，用平行四邊形棱鏡39膠合兩個(gè)第一直角棱鏡40的方式，代替二向分色棱鏡31 和第一 PBS，平行四邊形棱鏡39的一個(gè)合色面上鍍上二向分色膜后膠合一個(gè)第一直角棱鏡 40，平行四邊形棱鏡39的另一個(gè)合色面上鍍上偏振分束膜后膠合一個(gè)第一直角棱鏡40。優(yōu)點(diǎn)在于減少了二向分色棱鏡31和第一 PBS 32之間的界面，更有利于光學(xué)系統(tǒng)的集成。實(shí)施例3圖4給出了本實(shí)用新型的第三個(gè)實(shí)例。該實(shí)例不同于圖1實(shí)例的地方在于，偏振合色單元中，將紅光四分之一波片321和藍(lán)光四分之一波片323用寬波段四分之一波片3M 替代，并膠合于二向分色棱鏡31和第一 PBS，減少四分之一波片的個(gè)數(shù)。在圖1實(shí)例中，每種四分之一波片的設(shè)計(jì)波長均采用對(duì)應(yīng)光源的中心波長。由于各基色本身的光譜很窄，所以普通的四分之一波片可對(duì)單色光實(shí)現(xiàn)很高的偏振轉(zhuǎn)換，如圖11(a)。而在本實(shí)例中，如果采用傳統(tǒng)的四分之一波片，由于紅光和藍(lán)光的中心波長相距較遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)波長以外的光偏振轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著波長偏離而迅速減小。因此在本實(shí)例中，應(yīng)該采用寬波段四分之一波片，如圖11 (b)所示。寬波段四分之一波片在可見光范圍內(nèi)對(duì)所有波長的光都可實(shí)現(xiàn)高效偏振轉(zhuǎn)換。當(dāng)然，本實(shí)例中的綠光四分之一波片322也可采用寬波段四分之一波片324，根據(jù)實(shí)際的需求和價(jià)格判斷。實(shí)施例4圖5給出了本實(shí)用新型的第四個(gè)實(shí)例。相對(duì)于圖4實(shí)例，本實(shí)例的偏振合色單元中，采用了二向分色鏡37代替二向分色棱鏡31，這有利于減輕系統(tǒng)的重量和減小成本，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。實(shí)施例5圖6給出了本實(shí)用新型的第五個(gè)實(shí)例。相對(duì)于圖1實(shí)例，本實(shí)例中的藍(lán)光LED23， 藍(lán)光勻光器件231和偏振合色單元中的二向分色棱鏡31和藍(lán)光四分之一波片323等在水平方向上以二向分色棱鏡31中心光軸為對(duì)稱軸作鏡像翻轉(zhuǎn)。這使得綠光LED22及綠光勻光器件221出射光路通過引入45度放置的第二反射鏡38進(jìn)行折疊，使其可以置于二向分色棱鏡31旁，以縮減整個(gè)光引擎的尺寸。實(shí)施例6圖7給出了本實(shí)用新型的第六個(gè)實(shí)例。相對(duì)于圖6實(shí)例，本實(shí)例中，偏振合色單元的二向分色棱鏡31和第一 PBS32被直角棱鏡40膠合兩個(gè)小直角棱鏡代替，減少了二向分色棱鏡31和第一 PBS 32之間的界面，更有利于光學(xué)系統(tǒng)的集成。實(shí)施例7圖8給出了本實(shí)用新型的第七個(gè)實(shí)例。相對(duì)于圖4實(shí)例，本實(shí)例中，藍(lán)光LED23、藍(lán)光勻光器件231和偏振合色單元的二向分色棱鏡31、藍(lán)光四分之一波片323等在水平方向上以二向分色棱鏡31中心光軸為對(duì)稱軸作鏡像翻轉(zhuǎn)。這使得綠光LED22及綠光勻光器件221可以置于二向分色棱鏡31旁，以縮減整個(gè)光引擎的尺寸。實(shí)施例8圖9給出了本實(shí)用新型的第八個(gè)實(shí)例。相對(duì)于圖8實(shí)例，本實(shí)例中，偏振合色單元采用了二向分色鏡37代替二向分色棱鏡31，這有利于減輕系統(tǒng)的重量和減小成本，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。雖然已經(jīng)參照所述實(shí)施例描述了本實(shí)用新型的各種特性和優(yōu)點(diǎn)，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，可以對(duì)其部件的形狀，尺寸和布局等作出改變，而不會(huì)脫離本實(shí)用新型的精神和范圍。實(shí)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(shí)用新型的示范實(shí)施例，而本實(shí)用新型范圍并不受此提供的具體范例的限制。
權(quán)利要求1.一種用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)，其特征在于，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);其中，所述光源模塊(2)包括紅光LED (21)、綠光LED (22)、藍(lán)光LED (23)、紅光勻光器件(211)、綠光勻光器件(221)和藍(lán)光勻光器件(231)，紅光LED (21)和紅光勻光器件(211)相連，綠光LED (22)和綠光勻光器件 (221)相連，藍(lán)光LED (23)和藍(lán)光勻光器件(231)相連；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；圖像信息模塊(4) 位于第二 PBS (36)的一個(gè)直角邊，投影鏡頭(5)位于第二 PBS (36)的出射邊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振合色單元由二向分色棱鏡(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)、藍(lán)光四分之一波片(323)組成；其中，第一 PBS (32)與聚光透鏡 (34)同軸，二向分色棱鏡(31)和第一 PBS (32)膠合；紅光LED (21)、綠光LED (22)和藍(lán)光LED (23)中，任意兩個(gè)LED發(fā)出的光入射二向分色棱鏡(31 )，最后一個(gè)LED發(fā)出的光入射第一 PBS (32)，紅光四分之一波片(321)、綠光四分之一波片(322)和藍(lán)光四分之一波片(323)分別膠合在二向分色棱鏡(31)和第一PBS (32)相應(yīng)的入射面上；反射鏡(33)位于第一 PBS (32)上，最后一個(gè)LED發(fā)出的光的S光的出射面，使得未進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復(fù)利用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振合色單元由平行四邊形棱鏡(39)、兩個(gè)第一直角棱鏡(40)、反射鏡(33)、紅光四分之一波片(321)、綠光四分之一波片(322)、藍(lán)光四分之一波片(323)組成，其中，平行四邊形棱鏡(39)的一個(gè)合色面上鍍上二向分色膜后膠合一個(gè)第一直角棱鏡(40)，平行四邊形棱鏡 (39)的另一個(gè)合色面上鍍上偏振分束膜后膠合一個(gè)第一直角棱鏡(40)；紅光LED (21)、綠光LED (22)和藍(lán)光LED (23)中，任意兩個(gè)LED發(fā)出的光分別入射兩個(gè)第一直角棱鏡(40)， 最后一個(gè)LED發(fā)出的光入射平行四邊形棱鏡(39)，紅光四分之一波片(321)、綠光四分之一波片(322 )和藍(lán)光四分之一波片(323 )分別膠合在平行四邊形棱鏡(39 )和兩個(gè)第一直角棱鏡(40)相應(yīng)的入射面上；反射鏡(33)位于最后一個(gè)LED發(fā)出的光的P光的出射面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振合色單元由二向分色棱鏡(31)、第一 PBS (32)、反射鏡(33)、兩塊寬波段四分之一波片(324)組成；其中，二向分色棱鏡(31)和第一PBS (32)分別膠合在一塊寬波段四分之一波片(3 )的兩面；紅光LED (21)、綠光LED (22)和藍(lán)光LED (23)中，任意兩個(gè)LED發(fā)出的光入射二向分色棱鏡(31)，最后一個(gè)LED發(fā)出的光入射第一 PBS (32)，另一塊寬波段四分之一波片(324)膠合在第一 PBS (32)的入射面上；反射鏡(33)位于第一 PBS (32)上，最后一個(gè)LED發(fā)出的光的S光的出射面，使得未進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復(fù)利用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振合色單元由二向分色鏡(37)、第一 PBS (32)、反射鏡(33)、兩塊寬波段四分之一波片 (324)組成；其中，兩塊寬波段四分之一波片(3M)分別膠合在第一 PBS (32)的兩面；紅光 LED (21)、綠光LED (22)和藍(lán)光LED (23)中，任意兩個(gè)LED發(fā)出的光通過二向分色鏡(37) 和一塊寬波段四分之一波片(324)入射二向分色棱鏡(31)，最后一個(gè)LED發(fā)出的光通過另一塊寬波段四分之一波片(3M)入射第一 PBS (32);反射鏡(33)位于第一 PBS (32)上，最后一個(gè)LED發(fā)出的光的S光的出射面，使得未進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復(fù)利用。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振合色單元由第二直角棱鏡(41)、兩個(gè)第一直角棱鏡(40)、反射鏡(33)、紅光四分之一波片(321)、綠光四分之一波片(322)、藍(lán)光四分之一波片(323)、第二反射鏡(38)組成，其中， 第二直角棱鏡(41)的一個(gè)合色面上鍍上二向分色膜后膠合一個(gè)第一直角棱鏡(40)，第二直角棱鏡(41)的另一個(gè)合色面上鍍上偏振分束膜后也膠合一個(gè)第一直角棱鏡(40)；紅光 LED (21)、綠光LED (22)和藍(lán)光LED (23)中，任意一個(gè)LED發(fā)出的光入射第一直角棱鏡 (40)，一個(gè)LED發(fā)出的光入射第二直角棱鏡(41)，最后一個(gè)LED發(fā)出的光通過第二反射鏡 (38)入射另一個(gè)第一直角棱鏡(40)，紅光四分之一波片(321)、綠光四分之一波片(322)和藍(lán)光四分之一波片(323)分別膠合在第二直角棱鏡(41)和兩個(gè)第一直角棱鏡(40)相應(yīng)的入射面上；反射鏡(33)位于最后一個(gè)LED發(fā)出的光的S光的出射面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振合色單元由二向分色棱鏡(31)、第一 PBS (32)、反射鏡(33)、兩塊寬波段四分之一波片 (3M)、第二反射鏡(38)組成；其中，二向分色棱鏡(31)和第一 PBS (32)分別膠合在一塊寬波段四分之一波片(3 )的兩面；紅光LED (21)、綠光LED (22)和藍(lán)光LED (23)中，任意兩個(gè)LED發(fā)出的光入射二向分色棱鏡(31)，最后一個(gè)LED發(fā)出的光通過第二反射鏡(38) 入射第一 PBS (32)，另一塊寬波段四分之一波片(324)膠合在第一 PBS (32)的入射面上； 反射鏡(33)位于第一 PBS (32)上，最后一個(gè)LED發(fā)出的光的S光的出射面，使得未進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復(fù)利用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振合色單元由二向分色鏡(37)、第一 PBS (32)、反射鏡(33)、兩塊寬波段四分之一波片 (324)組成；其中，兩塊寬波段四分之一波片(324)分別膠合在第一 PBS(32)的兩面；紅光 LED (21)、綠光LED (2 和藍(lán)光LED (2 中，任意兩個(gè)LED發(fā)出的光通過二向分色鏡(37)和一塊寬波段四分之一波片(324)入射二向分色棱鏡(31)，最后一個(gè)LED發(fā)出的光通過另一塊寬波段四分之一波片(3M)入射第一 PBS (32);反射鏡(33)位于第一 PBS (32)上，最后一個(gè)LED發(fā)出的光的S光的出射面，使得未進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)的偏振光重復(fù)利用。
9.根據(jù)權(quán)利要求2、4和5所述用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振合色單元還包括一個(gè)第二反射鏡(38)，所述最后一個(gè)LED發(fā)出的光通過第二反射鏡 (38)入射第一 PBS (32)。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種用于反射式液晶投影顯示的光引擎系統(tǒng)，該光引擎由光源模塊，光管理模塊，圖像信號(hào)模塊和投影鏡頭組成，可以有效利用三基色光的兩種偏振態(tài)，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度和成本的基礎(chǔ)上大幅提高整機(jī)的光學(xué)效率和輸出亮度。光源模塊由三基色固體光源和勻光器件組成，為投影提供色彩飽和的三基色照明。光管理模塊包括一個(gè)二向分色棱鏡，用于整合來自不同方向的兩種基色光；圖像信號(hào)模塊為單片反射式液晶光調(diào)制器件，根據(jù)各基色對(duì)應(yīng)的圖像信號(hào)，時(shí)序地調(diào)制三基色的偏振光成為攜帶信號(hào)的光束。投影鏡頭將攜帶圖像信號(hào)的光經(jīng)第二PBS投影于屏幕上。
文檔編號(hào)F21V13/00GK202093307SQ20112021189
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月22日
發(fā)明者賀銀波, 陸巍 申請(qǐng)人:賀銀波, 陸巍