CN106019789A - 一种彩色投影显示的光学引擎 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学引擎，采用单片式显示芯片，包括平行光源，反射式平板显示器，合色镜组。所述平行光源用来为反射式平板显示器提供平行光照明；反射式平板显示器包含n个显示区域，n≥2，每一个显示区域独立的调制对应于一种图像颜色分量信息的光波；所述合色镜组包含n个合色镜，n≥2，合色镜片按照其反射面与反射式平板显示器的反射面为垂直设置，合色镜片用来反射经过反射式平板显示器调制的光线。平行光源发出的光线通过反射式平板显示器对应的显示区域调制后，经过合色镜组在空间混色用以形成彩色图像。所述光学引擎综合了单片式和三片式光学引擎的优点，将三片式***变成了单片式，简化了***结构，同时又保留了三片式光学引擎具有的色彩还原性好，较高的光学效率和较高的分辨率的优点。

Description

一种彩色投影显示的光学引擎

技术领域

本发明涉及一种投影显示技术领域，特别涉及一种彩色投影显示的光学引擎。

背景技术

随着显示技术的发展，投影显示技术在日常生活中得到了广泛的应用。从采用平板显示器的显示模式上讲，主要有LCOS，HTPS，DLP几种显示方式。其中HTPS是一种透射式的LCD显示技术，LCOS是一种反射式的LCD显示技术，DLP采用DMD(Digital Micro Mirror Device)作为显示器件，DMD是一种微镜面阵列，每个微面镜可以向两侧倾斜10-12°左右，从而可以构成启通和断开两种工作状态，通过在时间上的积分实现不同灰度的显示。

投影显示***的核心光学***(光学引擎)从架构上讲又主要分为三片式***和单片式***。

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(LCOS/HTPS/DMD)平板显示器，将投射出的三色影像经过光学***汇聚加以形成彩色影像。因为可以独立采用RGB单独光源，色彩还原性好。同时具有较高的光学效率和较高的分辨率；但是也有缺点，红、绿、蓝再现像在空间中合成的配准问题，容易产生颜色对位偏差，同时要采用多片显示器件，工艺复杂，成本高，不易于小型化。

单片式光学引擎则是采用时间复用的方法，光学引擎以快速旋转的色轮，将白光形成循序的红、蓝、绿光，并将三原色光与驱动程式产生的红、蓝、绿画面，同步形成分色影像，再籍由人眼视觉暂留的特征，最后在人脑产生彩色的投影画面。单片式的最大优点就是因为面板数仅需一片，加上分光，合光的***架构比较简单，因此在成本上较具优势。但白光经偏极化后的光源仅为先前的1/3，显示亮度明显降低；此外由于显示面板需要在红、蓝、绿画面快速的切换下合成影像，因此面板的反应速度的要求更高，使得生产的难度也相应提高。还有一种采用空间复用方法的单片式光学引擎，其采用的显示器的结构与彩色TFT-LCD显示器的结构相同，显示器的一个像素由R、G、B三个颜色的子像素构成，三个子像素进行空间混色成该点像素的颜色。采用这种结构每一个子像素需要单独控制，难以将像素尺寸做的很小，实现高分辨率显示困难，其光学效率也较低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于彩色投影显示的光学引擎，采用单片式显示芯片，包括平行光源，反射式平板显示器，合色镜组。所述平行光源包括n个单色光源，n≥2，用来为反射式平板显示器提供平行光照明；所述反射式平板显示器包含n个显示区域，n≥2，每一个显示区域由i*j个像素构成，i≥1，j≥1，每一个显示区域独立的调制对应于一种图像颜色分量信息的光波；所述合色镜组包含n个合色镜，n≥2，合色镜片按照其反射面与反射式平板显示器的反射面为垂直设置，合色镜片之间为平行设置。合色镜片用来反射照射到该镜片正面上的经过反射式平板显示器对应显示区域调制后的对应波长颜色的光，通过照射到该镜片背面的其他波长颜色的光。每种单色光源发出的光线通过反射式平板显示器对应的显示区域调制后，经过合色镜组在空间混色用以形成彩色图像。

所述反射式平板显示器按照其反射面与平行光源的出射光线之间的夹角为α设置，0＜α＜90。

所述反射式平板显示器任意两个显示区域的中心之间的间距为L，反射式平板显示器反射面与平行光源的出射光线之间的夹角为α，则两个显示区域对应的两个平行单色光源之间的中心间距设置为s＝L*sinα，两个显示区域对应的两个合色镜片之间的距离设置满足

采用所述的光学引擎设计，可以保证不同颜色的光线从反射式平板显示器到合色镜组的光线出射端为等光程设计，这样才能保证经过反射式平板显示器不同显示区域调制的图像相对于成像透镜的物距为相同，在空间中放大相同的倍数进行混色成像。

为了降低显示器件的加工制造成本，作为本发明的一种优选方案，所述反射式平板显示器采用玻璃基板的全反射LCD显示器，但是不局限于是玻璃基板的全反射LCD显示器，可以是DMD，LCOS等各类镜面全反射式平板显示器。

所述平行光源可以是LED，氙灯，高压汞灯，激光光源和混合激光等各类光源经过准直，扩束，整形处理形成的平行光源。

本发明采用单片式光学引擎架构设计，综合了单片式和三片式光学引擎的优点，将三片式***变成了单片式，简化了***结构，同时又保留了三片式光学引擎具有的色彩还原性好，较高的光学效率和较高的分辨率的优点。解决了三片式投影显示中的显示器件因组装误差造成的红、绿、蓝三种颜色空间混合时的配准问题。同时优选的采用玻璃基板进行器件制作，兼容现有的LCD工艺制程，避免了半导体工艺制程，成本较现有的DMD和LCOS有大幅的降低。同时采用玻璃制程，容易增加反射式显示器的尺寸，增加光源的照射面积，提高投影显示亮度，可以应用于抬头显示等显示亮度要求高的环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有彩色投影显示光学引擎结构示意图；

图2为现有三片式投影***在空间混色偏差的示意图；

图3为本发明提出的彩色投影显示的光学引擎原理图；

图4为本发明实施例提供的一种光学引擎的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种全反射显示器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种光学引擎的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种光学引擎的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种全反射显示器的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

现有三片式投影光学引擎的结构如图1所示，白光源经过分色棱镜分成R，G，B三种颜色，通过偏振分束棱镜(PBS)分别照射到三片LCOS上，三种颜色的光经过三片LCOS的分别调制，最后通过合色棱镜将三种颜色的图像混合成一幅全彩色的画面，经过透镜***投射出去成像。这种光学引擎要采用多片显示器件，工艺复杂，成本高，不易于小型化。同时因为三片显示为分立式结构，因为装配偏差，红、绿、蓝再现像在空间中合成存在配准问题，容易产生颜色对位偏差，如图2所示。

本发明揭示的彩色投影显示光学引擎如图3所示，包括平行光源100，反射式平板显示器200，合色镜组300。

作为本发明的一种优选方案，如图4所示，所述光学引擎的平行光源100由红色101、绿色102、蓝色103三种独立的LED光源组成，三种单色光源经过透镜准直后得到三种单色的平行光源。反射式平板显示器200采用镜面全反射式的液晶显示屏，包括三个独立的显示区域为对红光调制的区域201，对绿光调制的区域202，对蓝光调制的区域203，每个显示区域由i*j个显示像素210组成，如图5所示。平行光源产生的三种颜色的平行光以相同的角度α照射到液晶显示屏上，角度α满足0＜α＜90，红色平行光照射到液晶显示屏的红色显示区201，平行光源产生的绿色平行光照射到液晶显示屏的绿色显示区202，平行光源产生的蓝色平行光照射到液晶显示屏的蓝色显示区203。将需要显示的彩色图像分成红(R)，绿(G)，蓝(B)三个颜色分量的图像信号送入显示屏显示，显示屏红色显示区域201显示红色分量图像，绿色显示区域202显示绿色分量图像，蓝色显示区域203显示蓝色分量图像。合色镜组300包括反射红光，透过蓝光，绿光的合色镜301，反射绿光透过蓝光的合色镜302和反射蓝光的合色镜303。经过蓝色显示区域203调制的含有蓝色图像信息的蓝光照射到合色镜303的正面反射，并透过合色镜302，301出射，经过绿色显示区域202调制的含有绿色图像信息的绿光照射到合色镜302的正面反射，并透过合色镜301出射，经过红色显示区域201调制的含有红色图像信息的红光照射到合色镜301的正面反射出射，如此，含有红，绿，蓝三种颜色信息分量的图像在空间中混色，经过成像透镜后形成全彩色图像。

合色镜片301，302，303按照其反射面与反射式平板显示器200的反射面为垂直设置，合色镜片301，302，303之间为平行设置，如图4所示。因为是镜面反射，光线经过反射式显示屏的入射角和出射角相同为α，容易证明三角形ABC为等腰三角形，AB＝AC，ACDE为平行四边形，AC＝DE，CD＝AE。因此红色光经过反射式显示屏反射，到合色镜301的出射端E点的光程为AB+AE，蓝色光经过反射式显示屏反射，到合色镜301的出射端E点的光程为CD+DE，显然AB+AE＝CD+DE，两种颜色从反射式显示屏到合色镜出射端的光程相同。同理绿光从反射式显示屏到合色镜出射端的光程也相同。这样可以保证经过反射式平板显示器不同显示区域调制的图像相对于成像透镜的物距为相同，在空间中放大相同的倍数进行混色成像。

反射式平板显示器200的红色显示区域201，绿色显示区域202，蓝色显示区域203之间为等间距设置，相邻两个显示区域之间的中心间距为L，如图6所示，反射式平板显示器反射面与平行光源的出射光线之间的夹角为α，显然两个显示区域对应的两个平行单色光源之间的中心间距应该设置为s＝L*sinα，为了保证投影显示在空间中的一个点的不同颜色分量信息经过合色镜组300能够在空间中混色在同一点位置，两个显示区域对应的两个合色镜片之间的距离设置满足其中β为α的补角。

实施例二

本实施例采用白光照明，通过滤色膜得到红(R)，绿(G)，蓝(B)，黄(Y)四种单色平行光源，以实现更广的色域并且提升投影显示亮度。光学组件的结构如图7所示，白色照明光源100透过透镜准直为平行白光。红色滤色片401，绿色滤色片402，蓝色滤色片403，黄色滤色片404分别贴合在反射式平板显示器200对应的红色显示区201，绿色显示区202，蓝色显示区203，黄色显示区204上，将白光转换为各显示区域所需的单色平行光，照射到对应的显示区上，作为一种优选方案，本实施例的反射式平板显示器采用LCOS。平行光源以角度α照射到液晶显示屏上，角度α满足0＜α＜90。因为LCOS相对于白光源是倾斜放置，所以白光源照射到LCOS不同显示区的光程为不相同，因为光源不会是绝对的平行光，为了保证照射到LCOS不同显示区的光有相同的平行度，所以作为本发明的一种优选方案采用了一组中继透镜501，502，503对光程较远的光线进行二次准直。将需要显示的彩色图像分成红(R)，绿(G)，蓝(B)，黄(Y)四个颜色分量的图像信号送入显示屏显示，显示屏红色显示区域201显示红色分量图像，绿色显示区域202显示绿色分量图像，蓝色显示区域203显示蓝色分量图像，黄色显示区域204显示黄色分量图像。合色镜组300包括反射红光，透过蓝光，绿光，黄光的合色镜301，反射绿光透过蓝光，黄光的合色镜302，反射蓝光透过黄光的合色镜303，反射黄光的合色镜304。经过黄色显示区域204调制的含有黄色图像信息的黄光照射到合色镜304的正面反射，并透过合色镜303，302，301出射，经过蓝色显示区域203调制的含有蓝色图像信息的蓝光照射到合色镜303的正面反射，并透过合色镜302，301出射，经过绿色显示区域202调制的含有绿色图像信息的绿光照射到合色镜302的正面反射，并透过合色镜301出射，经过红色显示区域201调制的含有红色图像信息的红光照射到合色镜301的正面反射出射，如此，含有红，绿，蓝，黄四种颜色信息分量的图像在空间中混色，经过成像透镜后形成全彩色图像。

实施例三

本实施例的反射式显示面板200包含两个显示区域201，202，如图8所示。显示区域201包含2种显示像素2011和2012，每种显示像素的数量为i*j个，作为本发明的一种优选方案，两种显示像素的宽长比为1∶2，显示像素2011和2012排列在一起为正方形。显示像素2011上覆盖有红色滤光膜，显示像素2012上覆盖有绿色滤光膜。显示区域202包含一种显示像素2013，其数量为i*j个，显示像素2013为正方形，它的大小为显示像素2011和2012之和，像素上覆盖有蓝色滤光膜。合色镜组包含两片合色镜，合色镜片位置的设置与实施例一相同。平行光源采用白色光源，平行光源以角度α照射到反射式显示屏上，角度α满足0＜α＜90。白色平行光经过覆盖在显示像素2011上的红色滤光膜变成红色光，经过覆盖在显示像素2012上的绿色滤光膜变成绿色光，经过覆盖在显示像素2013上的蓝色滤光膜变成蓝色光。所有的显示像素2011用来显示彩色图像红色分量部分的图像，所有的显示像素2012用来显示绿色分量部分的图像，所有的显示像素2013用来显示蓝色分量部分的图像。照射到显示像素2013区域的蓝光，经过显示屏的调制，入射到对应的合色镜片上反射后通过另一片合色镜片后出射。照射到显示像素2011和2012区域的红光和绿光的混色光入射到对应的合色镜片上反射后出射，该合色透镜反射红光和绿光，透过蓝光。如此，含有红，绿，蓝三种颜色信息分量的图像在空间中混色，经过成像透镜后形成全彩色图像。该实施例对应于蓝光发光效率不高的情况，通过提升反射式显示屏的蓝光显示区域的面积，有效提升投影显示的蓝光亮度，同时因为只包含两个显示区域，可以减少光学引擎体积。

综上所述，本发明提出的用于彩色投影显示的光学引擎综合了单片式和三片式光学引擎的优点，将三片式***变成了单片式，简化了***结构，解决了因为装配偏差，红、绿、蓝再现像在空间中合成的配准问题，同时又保留了三片式光学引擎具有的色彩还原性好，较高的光学效率和较高的分辨率的优点。由所述光学引擎构成的投影***体积更小，成本更低。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (8)

1.权利要求1：一种用于彩色投影显示的光学引擎，其特征在于：所述光学引擎包括平行光源，反射式平板显示器，合色镜组；

所述平行光源用来为反射式平板显示器提供平行光照明；

所述反射式平板显示器包含n个显示区域，n≥2，每一个显示区域由像素阵列构成，每一个显示区域独立的调制对应于一种或几种图像颜色分量信息的光波；

所述合色镜组包含n个合色镜，n≥2，合色镜片按照其反射面与反射式平板显示器为垂直设置，合色镜片之间为平行设置。合色镜片用来反射照射到该镜片正面上的经过反射式平板显示器对应显示区域调制后的对应波长颜色的光，通过照射到该镜片背面的其他波长颜色的光。经过合色镜组，不同颜色的光在空间混色用以形成彩色图像。

2.权利要求2：根据权利要求1所述用于彩色投影显示的光学引擎，其特征在于：

所述光学引擎的平行光源包括n个单色光源n≥2，每种单色光源发出的光线通过权利要求1所述的反射式平板显示器对应的显示区域调制后，经过合色镜组在空间混色用以形成彩色图像。n个单色光源可以由一组白色光源经过分色器件产生。

3.权利要求3：根据权利要求1所述用于彩色投影显示的光学引擎，其特征在于：

所述反射式平板显示器按照与平行光源的出射光线之间的夹角为α设置，0＜α＜90。

4.权利要求4：根据权利要求1所述用于彩色投影显示的光学引擎，其特征在于：

所述反射式平板显示器任意两个显示区域的中心之间的间距为L，反射式平板显示器与平行光源的出射光线之间的夹角为α，则两个显示区域对应的两个平行单色光源之间的中心间距设置为s＝L*sinα，两个显示区域对应的两个合色镜片之间的距离设置满足

5.权利要求5：根据权利要求1所述用于彩色投影显示的光学引擎，其特征在于：

所述反射式平板显示器的相邻显示区域之间的中心间距可以为不相同，相邻合色镜片之间的距离可以为不相同。

6.权利要求6：根据权利要求1所述反射式平板显示器，其特征在于：

所述反射式平板显示器可以是DMD，LCOS，全反射LCD等镜面全反射式平板显示器。

7.权利要求7：根据权利要求1所述的平行光源，其特征在于：

所述平行光源可以是LED，氙灯，高压汞灯，激光光源和混合激光等各类光源经过准直，扩束，整形处理形成的平行光源。

8.权利要求8：根据权利要求1所述的合色镜组，其特征在于：

所述合色镜组可以为若干棱镜胶合成的一个整体，在胶合面上镀膜，实现反射经过反射式平板显示器对应显示区域调制后的对应波长颜色的光，通过其他波长颜色的光的作用。各镀膜面与反射式平板显示器为垂直设置。