CN2602397Y - 一种单芯片投影显示***的光学引擎 - Google Patents

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邵剑心
樊斌
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Abstract

本实用新型提供了一种单芯片投影显示***的光学引擎，它是将照明光源、光棒、光学透镜组与预起偏及偏振转换器件、偏振分光棱镜、和投影物镜等光学元件依次固定在一个固定底座上，再将一块彩色硅基液晶反射式显示芯片固定在偏振分光棱镜的一个表面上，使得从照明光源发射出的光线依次经过光棒、光学透镜组与预起偏及偏振转换器件、和偏振分光棱镜后照射到该显示芯片上，再将该显示芯片上的彩色图像信息经过偏振分光棱镜和投影物镜投射出去，从而可应用于各种投影显示的场合。

Description

一种单芯片投影显示***的光学引擎
本实用新型涉及光学领域，特别是一种单芯片投影显示***的光学引擎。
近年来，随着高清晰度电视(HDTV)发展的技术要求，发展起了许多新型的显示技术，硅基液晶反射式(LCOS)显示技术是其中的一个典型代表。而LCOS显示技术的发展方向是单片式的LCOS显示***(参见专利申请01113471.2)。目前彩色LCOS显示芯片已在研制过程中，因此，需要开发相应的单片式LCOS光学引擎。
本实用新型的目的在于提供一种空间分光型的单片式LCOS投影显示***光学引擎。
本实用新型的目的通过如下技术方案来实现：将带有紫外和红外隔绝滤光片的照明光源、光棒、光学透镜组与预起偏及偏振转换器件、偏振分光棱镜、和投影物镜等光学元件依次固定在一个固定底座上，再将一块彩色硅基液晶反射式显示芯片固定在偏振分光棱镜的一个表面上，并使得上述各光学元器件构成一共轴的光学***，从而组成本实用新型的光学引擎。从照明光源(通常为超高压汞灯)发出的光经紫外和红外隔绝滤光片滤去对***有害的紫外和红外光线后，剩余的可见光部分经聚焦后，从一光棒的输入端的中央进入该光棒，由于光棒表面的多次反射，可起到均化其亮度的效果。再经一透镜(组)后，照到预起偏及偏振转换器件上，由其将该自然光转换成线偏振光。该线偏振光经过一个或数个偏振分光棱镜的反射后，照射到彩色显示芯片上，照射光斑与该彩色显示芯片的有效区域相配。经过该彩色显示芯片的调制，部分带有图像信息的光线，其偏振方向旋转90°，并穿过偏振分光棱镜后，由投影物镜放大投射到显示屏上。
本实用新型的附图说明如下：
图1是本实用新型的光学引擎的原理示意图。
图2是用光棒回收利用反射光线的示意图。
图3是本实用新型的光学引擎的一种实施例示意图。
下面结合附图对本实用新型作详细阐述。但并不限制本实用新型的内容。
附图1是本实用新型的光学引擎原理示意图。将带有紫外和红外隔绝滤光片2的照明光源1、光棒3、光学透镜组5与预起偏及偏振转换器件11、偏振分光棱镜12、和投影物镜14等光学元件依图示次序固定在一个金属或塑料制的固定底座上，再将一块彩色硅基液晶反射式显示芯片13按图示位置用光学胶或机械紧固方法固定在偏振分光棱镜的一个表面上，构成一个共轴的光学***，从而组成本实用新型的光学引擎。带有椭球面(或抛物面，需另加聚焦透镜)反射罩的照明光源1(通常为超高压汞灯)发出的光线经紫外和红外隔绝滤光片2滤去对***有害的紫外线和红外线后，会聚进入光棒3，该光棒可以是实心的玻璃制成，由于玻璃折射率高于空气折射率，在光棒界面可形成全反射。该光棒也可以是空心的玻璃管，其内壁镀有高反射膜层。光棒的长度应使最大入射角度的光线有两次以上的反射。光棒界面对入射角较大的光线进行较多次的反射，而对入射角较小的光线则反射次数较少，这样就可使光束的亮度分布趋于均匀。经过均化的光束再经一透镜或透镜(组)5使从光棒3出射的光线以较小的入射角度射到预起偏及偏振转换器件11上。该预起偏及偏振转换器件11是由两块或两块以上的镀有偏振分光膜8和高反射膜9的玻璃棱镜6和7胶合而成，并在其出射口的部分区域贴有二分之一波片10。高反射膜9可以是金属高反射膜，或多层介质高反射膜层，甚至可以是没有任何膜层，而是利用玻璃的全反射特性达到的高反射效果。当一束自然光入射到该预起偏及偏振转换器件上时，首先被偏振分光膜8分成两束光，即s方向偏振光和p方向偏振光，s方向偏振光直接被偏振分光膜8反射出去，而p方向偏振光则透射过偏振分光膜8再被高反射膜9反射出去，该被反射出去的p方向偏振光在出射时再通过一个二分之一波片10，由于二分之一波片的双折射特性和位相延迟功能，使该p方向偏振光被转换成s方向偏振光，会同先前被偏振分光膜8直接反射出去的s方向偏振光，形成一束s方向线偏振光。该s方向线偏振光束随后再被偏振分光棱镜12反射到彩色显示芯片13上，该彩色显示芯片13是一种将三色介质分色滤光片列阵与带有硅CMOS寻址电路的金属反射镜列阵对准封装在一起，中间灌有液晶的组合器件(参见专利申请01246153.9)。当s偏振光照射到该芯片上时，首先被三色介质分色滤光片列阵分光，对应各象元颜色的光透过各分色滤光片进入液晶层，其余颜色的光被反射回去。进入液晶层的光经液晶调制后，再被该象元的金属反射镜反射出去，由于液晶的调制，部分s偏振光被转换成p偏振光，因而能透过偏振分光棱镜12，被投影物镜14投射出去作图像显示。而其余部分仍为s偏振光，则再次被偏振分光棱镜12反射回去。由于那部分能透过偏振分光棱镜12而被投影物镜14投射出去的光的消光比是决定投影图像对比度的主要因素，因此偏振分光棱镜12选用高消光比的偏振分光棱镜(参见专利申请02215330.6)将有助于提高投影图像的质量。
上述投影显示***中，照到彩色显示芯片13上的照明光束一部分被用来作投影显示，而另一部分光则被彩色显示芯片13反射回去。而对于投影显示***来说，充分利用光的能量是提高投影图像亮度、降低功耗、延长使用寿命的一个非常有效的途经。因此，对于被彩色显示芯片13反射回去的光线，包括从分色滤光片上反射回去的，和从象元金属反射镜上反射回去而没有被转换成p偏振光的那部分光，也应加以充分回收利用。回收利用的方法如附图2所示，被反射回去的光线会经过上述光学***再次进入光棒3。而在光棒3的输入端面上除中心区域聚焦点附近以外的区域镀有高反射膜层4，无镀膜区域的尺寸为略大于会聚输入光的光斑尺寸，以保证输入光不受该高反射膜层的影响。当输入光16穿过该非镀膜区域进入光棒后，在光棒界面多次反射均化后，出射到分色滤光片列阵15上，一部分光17透过该滤光片而进入液晶层，而另一部分光18则被反射回光棒，经过光棒的界面反射后，又被输入端面的高反射膜层11回来，再被光棒界面反射后，再次照到分色滤光片列阵15上，从而达到回收利用该部分光的目的。另外，将光棒3的输出端的面积做得比输入端的面积大一点，可以有效地减小从光棒3出射的光线的发散角度。如在光路中加***一片超细金属线栅器件(参见专利申请01139205.3)，可以进一步提高光束的消光比，从而进一步提高投影图像的对比度。为进一步提高投影图像的亮度均匀性，还可在光路中***一片全息散射均化器件，以进一步均化照明光束的亮度。
图3是本实用新型的光学引擎的一个实施例的示意图。各光学元件的位置排列如图所示并固定在一个固定底座上，带有椭球面反射罩的照明光源1发出的光线经紫外和红外隔绝滤光片2滤去对***有害的紫外线和红外线后，会聚进入第一根光棒20作第一次均化，经过一次均化的光束再经一透镜或透镜(组)5使光线的发散角度减少，并能高质量聚焦射到第二根光棒3的输入端面。为使***结构紧凑起见，在光线中***两反射镜21以转折光线。这些反射镜可以选用仅反射可见光，而透过红外光的冷反射镜，以尽量降低热效应对***的危害。进入第二根光棒3作再一次均化后出射的光线，由另一个场透镜23转换成接近准直的光线射到预起偏及偏振转换器件11上将自然光转换成s方向线偏振光，预起偏及偏振转换器件11是由三块镀有偏振分光膜8和高反射膜9的玻璃棱镜胶合而成，并在其出射口的部分区域贴有二分之一波片10。该s线偏振光束再经过两个偏振分光棱镜22和12的反射后(用两个偏振分光棱镜的串联反射可使光束的消光比大大提高，从而提高投影图像的对比度)照到彩色显示芯片13上。经过该彩色显示芯片13的调制，部分s方向偏振光被转换成p方向偏振光，从而能透过偏振分光棱镜12被投影物镜14投影成像。而另部分没有被转换掉的s方向偏振光，则被偏振分光棱镜12反射回去并到达光棒3的输入端面，被高反射膜4反射回来回收利用。
为尽量减少光程，附图3中的预起偏及偏振转换器件11、偏振分光棱镜12和22、以及彩色显示芯片13等数个器件是胶合在一起的。
本实用新型具有如下有益效果：
1.提供了一种单片式LCOS投影显示***光学引擎，有助于单片式LCOS投影显示***的实用化。
2.有效地提高了光学引擎的光利用效率，可提高投影图像的亮度，并可增加光学引擎的寿命，降低***的功耗。
3.提供的光学引擎***的图像质量高、结构紧凑、体积小、重量轻。提供的光学引擎***的成本低廉、调试简便，有助于实行大规模的批量生产。

Claims (9)

1.一种单芯片投影显示***的光学引擎，包括照明光源、光棒、透镜组和预起偏及偏振转换器件、偏振分光棱镜、投影物镜、和彩色显示芯片等光学元器件，并固定在一个固定底座上，其特征在于：
a)照明光源、光棒、透镜组、预起偏及偏振转换器件、偏振分光棱镜、投影物镜、和彩色显示芯片的中心位于同一光轴上；
b)从照明光源发射出的光线聚焦在光棒输入端的中心区域；
c)彩色显示芯片位于偏振分光棱镜的一个表面上，使得从光棒输出端出射的光线经透镜组收束，预起偏及偏振转换器件的预起偏，及偏振分光棱镜的反射后照到该彩色显示芯片上，且使得该照射光斑的大小与该彩色显示芯片的有效区域相当；
d)投影物镜紧靠着偏振分光棱镜的出射端，且其中心轴与经彩色显示芯片调制后反射，并穿过偏振分光棱镜射出的光线中心重合，该光线的光斑尺寸小于等于该投影物镜的有效孔径。
2.如权利要求1所述的光学引擎，其特征在于其彩色显示芯片是带有微滤光片列阵分色***的单片彩色硅基液晶反射式显示芯片。
3.如权利要求1中所述的光学引擎，其特征在于其中的部分光棒输入端端面的部分区域镀有高反射膜。
4.如权利要求1中所述的光学引擎，其特征在于其中的部分光棒输出端的面积是输入端面积的1～5倍。
5.如权利要求1所述的光学引擎，其特征在于采用两块或两块以上的，其中部分表面镀有偏振分光膜或反射膜的玻璃棱镜胶合在一起，并在出射面的部分区域贴有二分之一波片的结构作为预起偏及偏振转换器件。
6.如权利要求1所述的光学引擎，其特征在于与彩色显示芯片相邻的偏振分光棱镜采用高消光比的偏振分光棱镜，或者采用数个偏振分光棱镜的串联组合。
7.如权利要求1所述的光学引擎，其特征在于采用超细金属线栅器件作为进一步提高消光比的偏振器件。
8.如权利要求1所述的光学引擎，其特征在于采用全息散射器件作为进一步均化照明亮度的均化器件。
9.如权利要求1所述的光学引擎，其特征在于其偏振分光棱镜和预起偏及偏振转换器件，采用相同或不同折射率的玻璃棱镜胶合而成。
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