專利名稱：一種緊湊型反射式液晶投影光引擎系統(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)，尤其涉及一種緊湊型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)對(duì)亮度、分辨率、體積、功耗、成本以及散熱等都有嚴(yán)格的要求。要實(shí)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(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 (LiquidCrystal 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。LCoS技術(shù)具有高分辨率和低成本等優(yōu)勢(shì)，色彩豐富，圖像逼真，加之技術(shù)上的開放性，非常適合微型投影對(duì)高分辨率和低成本的苛刻要求。但是，由于基于偏振光調(diào)制，LCoS投影系統(tǒng)的光能利用率偏低，且體積較大，這已經(jīng)阻礙了投影系統(tǒng)的微型化。因此，一種小體積且高光利用率的光學(xué)系統(tǒng)，成為微型投影發(fā)展的訴求。目前的微型投影系統(tǒng)大多采用LED作為照明光源。LED屬于冷光源，且具有體積小、壽命長、響應(yīng)快及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。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。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。但在微型投影應(yīng)用上，仍然存在LED光通量不高，且單位光學(xué)擴(kuò)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(chǎng)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(zhuǎn)換效率高達(dá)61%的紅光LED (主波長為609nm)。在Imm2的芯片，工作電流為40mA時(shí)可實(shí)現(xiàn)光效高達(dá)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來更大的空間。雖然投影用LED光源已有很大的提升，但投影機(jī)的輸出亮度仍然不高。要進(jìn)一步提高微型投影的性能，就必須有一個(gè)高效的偏振光管理系統(tǒng)——光引擎。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。傳統(tǒng)的微型投影光引擎基本采用X-Cube棱鏡(US6018418)和雙二向分色鏡的方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于X-Cube結(jié)構(gòu)，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，合成共路光束，從X-Cube的第四邊出射。采用雙二向分色鏡結(jié)構(gòu)，其中的兩基色先經(jīng)過第一塊二向分色鏡后合成為第三種基色的補(bǔ)色，之后再經(jīng)過第二塊二向分色鏡合成為共路光束。X-Cube結(jié)構(gòu)緊湊，光收集率較高，但其合色效率很低。雙二向色鏡(Dichroic Mirror)合色效率較高，但光收集率低且體積偏大。若改用二向色棱鏡(Dichroic Prism)代替二向色鏡，雖然光線收集率和合色效率都有所提高，但以體積、重量和成本為代價(jià)。此外，無論采用哪種傳統(tǒng)的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)的光能利用率大大降低?？梢?，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。申請(qǐng)人:申請(qǐng)的專利(專利申請(qǐng)?zhí)枮?01110168636. 3)提供了一種全新的反射式投影光引擎結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用三基色LED照明，利用偏振分束棱鏡(PBS: Polarization BeamSplitter)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(diào)制器件。同時(shí)采用光回收結(jié)構(gòu)，將第一次未進(jìn)入后續(xù)光路的光經(jīng)偏振旋轉(zhuǎn)后被重復(fù)利用，可有效利用三基色光的兩種偏振態(tài)。該光引擎光利用率高，但體積和成本上不占優(yōu)勢(shì)。若光引擎能保證結(jié)構(gòu)上的緊湊性，又能重復(fù)利用光源能量，將極為有利投影系統(tǒng)的微型化。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種緊湊型反射式液晶投影光引擎系統(tǒng)。本實(shí)用新型將某種基色的LED光經(jīng)過偏振器件后的正交偏振光重復(fù)利用，在保證結(jié)構(gòu)緊湊的基礎(chǔ)上，提升系統(tǒng)的光能利用率。本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種緊湊型反射式液晶投影光引擎系統(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、綠光勻光器、藍(lán)光勻光器，紅光LED和紅光勻光器相連，綠光LED和綠光勻光器相連，藍(lán)光LED和藍(lán)光勻光器相連。光管理模塊由偏振合色單元、聚光透鏡、偏振干涉濾光片、PBS等依次同軸排列組成。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第一 PBS、透紅反藍(lán)濾光片、透藍(lán)反紅濾光片、寬波段四分之一波片等組成。其中，第一 PBS與聚光透鏡同軸，寬波段四分之一波片膠合于第一PBS的紅光入射面，再與透紅反藍(lán)濾光片相膠合，透藍(lán)反紅濾光片膠合于第一 PBS的藍(lán)光入射面。此偏振合色單兀可重復(fù)利用紅光的兩種偏振態(tài)的光。從第一 PBS出射的三基色光中，紅光和藍(lán)光為第二偏振態(tài),綠光為第一偏振態(tài)。后續(xù)的偏振干涉濾光片應(yīng)半波旋轉(zhuǎn)綠光而保持紅光和藍(lán)光偏振態(tài)不變。同理，可以將綠光LED與紅光LED調(diào)換位置，用透綠反藍(lán)濾光片代替透紅反藍(lán)濾光片，用透藍(lán)反綠濾光片代替透藍(lán)反綠濾光片，實(shí)現(xiàn)綠光的重復(fù)利用。此時(shí)，從第一 PBS出射的三基色中，紅光為第一偏振態(tài)，綠光和藍(lán)光為第二偏振態(tài)。后續(xù)的偏振干涉濾光片應(yīng)半波旋轉(zhuǎn)紅光而保持綠光和藍(lán)光偏振態(tài)不變。也可以將紅光LED與藍(lán)光LED調(diào)換位置，用透藍(lán)反紅濾光片代替透紅反藍(lán)濾光片，用透紅反藍(lán)濾光片代替透藍(lán)反紅濾光片，實(shí)現(xiàn)藍(lán)光的重復(fù)利用。此時(shí)，從第一 PBS出射的三基色中，綠光為第一偏振態(tài)，而紅光和藍(lán)光為第二偏振態(tài)。由于藍(lán)光在投影系統(tǒng)中的比重較少，因此藍(lán)光的重復(fù)利用對(duì)系統(tǒng)亮度提升的貢獻(xiàn)較小。因此，采用綠光重復(fù)利用或紅光重復(fù)利用的結(jié)構(gòu)有利于投影系統(tǒng)整機(jī)売度的提升。進(jìn)一步地，所述偏振合色單元由第一 PBS、透紅反藍(lán)濾光片、透綠反藍(lán)濾光片、透藍(lán)反紅綠濾光片、寬波段四分之一波片等組成。其中，第一 PBS與聚光透鏡同軸，兩個(gè)寬波段四分之一波片分別膠合于第一 PBS的紅光入射面和綠光入射面，再分別與透紅反藍(lán)濾光片和透綠反藍(lán)濾光片相膠合，透藍(lán)反紅綠濾光片膠合于第一 PBS的藍(lán)光入射面。此偏振合色單元可重復(fù)利用紅光和綠光的兩種偏振態(tài)的光。從第一 PBS出射的三基色光中，綠光為第一偏振態(tài)，紅光為第二偏振態(tài)，藍(lán)光同時(shí)具有第一和第二偏振態(tài)。后續(xù)的偏振干涉濾光片可半波旋轉(zhuǎn)綠光而保持紅光偏振態(tài)不變。由于藍(lán)光對(duì)系統(tǒng)亮度貢獻(xiàn)較小，只需利用單一偏振態(tài)的光。為了提高入射于調(diào)制器件上的光偏振度，可在第二 PBS前加偏振片。同理，將紅光LED和透紅反藍(lán)濾光片與綠光LED和透綠反藍(lán)濾光片調(diào)換位置，也可以實(shí)現(xiàn)紅光和綠光的重復(fù)利用。此時(shí)，從第一 PBS出射的三基色中，紅光為第一偏振態(tài)，而綠光為第二偏振態(tài)，藍(lán)光同時(shí)具有第一個(gè)第二偏振態(tài)。后續(xù)的偏振干涉濾光片應(yīng)半波旋轉(zhuǎn)紅光而保持綠光偏振態(tài)不變。藍(lán)光只需利用單一偏振態(tài)的光。此外，可以調(diào)換三基色中任意兩 種基色LED的位置和對(duì)應(yīng)的基色濾光片，實(shí)現(xiàn)任意兩種基色光的重復(fù)利用。通常，由于綠光和紅光對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)最大，因此采用重復(fù)利用紅光和綠光的結(jié)構(gòu)，對(duì)整機(jī)的輸出亮度提升最為有利。本實(shí)用新型的有益效果是，在三基色LED中，有一種或兩種基色的兩個(gè)偏振態(tài)的光能在本實(shí)用新型的光引擎中被充分利用。相對(duì)于傳統(tǒng)投影系統(tǒng)中，一種偏振光被吸收或者浪費(fèi)的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)不僅在體積上有優(yōu)勢(shì)，而且系統(tǒng)的光能利用率得到進(jìn)一步提升。

圖I是本實(shí)用新型的第一個(gè)實(shí)施例的緊湊型反射式液晶投影光引擎結(jié)構(gòu)圖；圖2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和偏振態(tài)圖；圖3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和偏振態(tài)圖；圖4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和偏振態(tài)圖；圖5是本實(shí)用新型的第二個(gè)實(shí)施例的緊湊型反射式液晶投影光引擎結(jié)構(gòu)圖；圖6是本實(shí)用新型的第三個(gè)實(shí)施例的緊湊型反射式液晶投影光引擎結(jié)構(gòu)圖；圖7是本實(shí)用新型的第三個(gè)實(shí)施例中第一基色的光線軌跡和偏振態(tài)圖；圖8是本實(shí)用新型的第三個(gè)實(shí)施例中第二基色的光線軌跡和偏振態(tài)圖；圖9是本實(shí)用新型的第三個(gè)實(shí)施例中第三基色的光線軌跡和偏振態(tài)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、紅光LED 21、綠光LED 22、藍(lán)光LED 23、紅光勻光器211、綠光勻光器221、藍(lán)光勻光器231、紅光光束212、綠光光束222、藍(lán)光光束232、第一 PBS 32、透紅反藍(lán)濾光片
321、透綠反藍(lán)濾光片322、透藍(lán)反紅濾光片323、透藍(lán)反紅綠濾光片324、透藍(lán)反綠濾光片325、寬波段四分之一波片331、第二寬波段四分之一波片332、聚光透鏡32、偏振干涉濾光片 33、第二 PBS 34。
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。光管理模塊包括兩個(gè)PBS (Polarization Beam Splitter,偏振分束器)和一個(gè)偏振干涉濾光片等。紅光經(jīng)過透紅反藍(lán)濾光片和寬波段四分之一波片進(jìn)入第一PBS后,分解成相互正交的第一偏振光和第二偏振光。第二偏振光直接透過第一 PBS進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)，而第一偏振光經(jīng)過透藍(lán)反紅濾光片和寬波段四分之一波片組成的重復(fù)利用結(jié)構(gòu)后變?yōu)榈诙窆猓c先前的第二偏振光合并，實(shí)現(xiàn)紅光的重復(fù)利用。綠光進(jìn)入第一 PBS后，第一偏振態(tài)的光直接被反射進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)。藍(lán)光經(jīng)透藍(lán)反紅濾光片進(jìn)入第一 PBS,第一偏振光被反射到透紅反藍(lán)濾光片，兩次通過寬波段四分之一波片后，第一偏振態(tài)的光轉(zhuǎn)變成為第二偏振態(tài)的光，再從第一 PBS透射進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)。第一偏振態(tài)的綠光與第二偏振態(tài)紅光和藍(lán)光，經(jīng)偏振干涉濾光片整合成為第二偏振態(tài)的三基色光。之后，第二偏振態(tài)的三基色光經(jīng)第二 PBS透射進(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 一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，被第二 PBS反射進(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。同理，可以將綠光LED與紅光LED位置對(duì)調(diào)，用透綠反藍(lán)濾光片代替透 紅反藍(lán)濾光片，用透藍(lán)反綠濾光片代替透藍(lán)反綠濾光片，實(shí)現(xiàn)綠光的重復(fù)利用。此時(shí)，從第一 PBS出射的三基色中，紅光為第一偏振態(tài),綠光和藍(lán)光為第二偏振態(tài)。后續(xù)的偏振干涉濾光片應(yīng)半波旋轉(zhuǎn)紅光而保持綠光和藍(lán)光偏振態(tài)不變。對(duì)于只偏振旋轉(zhuǎn)某一基色的光引擎系統(tǒng)，寬波段四分之一波片可以用對(duì)應(yīng)基色四分之一波片代替。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提升光的重復(fù)利用。可在第一 PBS的綠光入射面增加透綠反藍(lán)濾光片和寬波段四分之一波片。同時(shí)，第一 PBS的藍(lán)光入射面的透藍(lán)反紅濾光片變?yōu)橥杆{(lán)反紅綠濾光片，以提升綠光的重復(fù)利用率。紅光經(jīng)過透紅反藍(lán)濾光片和寬波段四分之一波片進(jìn)入第一 PBS后,分解成相互正交的第一偏振光和第二偏振光。第二偏振光直接透射過第一 PBS進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)，而第一偏振光經(jīng)透藍(lán)反紅綠濾光片反射和寬波段四分之一波片后變?yōu)榈诙窆?，與先前的第二偏振光合并，實(shí)現(xiàn)紅光的重復(fù)利用。綠光進(jìn)入第一PBS后,第一偏振態(tài)的光直接被反射進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)，而第二偏振態(tài)的光經(jīng)過透藍(lán)反紅綠濾光片后變?yōu)榈谝黄窆?，與先前的第一偏振光合并，實(shí)現(xiàn)綠光的重復(fù)利用。藍(lán)光經(jīng)透藍(lán)反紅綠濾光片進(jìn)入第一 PBS，第一偏振態(tài)的光被反射到透紅反藍(lán)濾光片，兩次通過寬波段四分之一波片后，第一偏振態(tài)的光轉(zhuǎn)變成為第二偏振態(tài)的光，再次進(jìn)入第一 PBS后透射進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)。藍(lán)光的第二偏振態(tài)的光透射到透綠反藍(lán)濾光片，兩次通過寬波段四分之一波片后，第二偏振態(tài)的光轉(zhuǎn)變成為第一偏振態(tài)的光，再次進(jìn)入第一 PBS后被反射進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)。第一偏振態(tài)的綠光與第二偏振態(tài)紅光，經(jīng)過偏振干涉濾光片后整合成為第二偏振態(tài)的光，藍(lán)光只需利用一種偏振光。之后，第二偏振態(tài)的三基色光透過第二 PBS，經(jīng)圖像信號(hào)調(diào)制模塊調(diào)制后，被第二 PBS反射進(jìn)入投影鏡頭，經(jīng)放大后投射于屏幕上。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I圖I給出了本實(shí)用新型的第一個(gè)緊湊型反射式液晶投影系統(tǒng)I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LED 23、綠光勻光器211、綠光勻光器221和藍(lán)光勻光器231，紅光LED 21和紅光勻光器211相連，綠光LED 22和綠光勻光器221相連，藍(lán)光LED 23和藍(lán)光勻光器231相連。紅光LED 21、綠光LED 22和藍(lán)光LED 23發(fā)射的三基色自然光分別經(jīng)過紅光勻光器211、綠光勻光器221和藍(lán)光勻光器231后收集成為照明所需的小角度矩形光束。光管理模塊3由偏振合色單元、聚光透鏡32、偏振干涉濾光片33、第二 PBS 34依次同軸排列組成。本實(shí)施例中，偏振合色單元由第一 PBS 31、透紅反藍(lán)濾光片321、透藍(lán)反紅濾光片323和寬波段四分之一波片331組成。 寬波段四分之一波片331膠合于第一 PBS 31的紅光入射面，再與透紅反藍(lán)濾光片321相膠合，透藍(lán)反紅濾光片323膠合于第一 PBS的藍(lán)光入射面。寬波段四分之一波片可將兩次通過其的三基色光偏振旋轉(zhuǎn)90度。透紅反藍(lán)濾光片321透射紅光LED 21發(fā)出的紅光212，而反射從藍(lán)光LED 23發(fā)出的藍(lán)光232。透藍(lán)反紅濾光片323透射藍(lán)光LED 23發(fā)出的藍(lán)光232，而反射從紅光LED 21發(fā)出的紅光212。聚光透鏡32和偏振干涉濾光片33位于第一 PBS 31和第二 PBS 34之間。偏振干涉濾光片33可以實(shí)現(xiàn)選擇性的光譜偏振旋轉(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)不同基色偏振光的偏振整合。紅光光束212，綠光光束222，藍(lán)光光束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 PBS36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從第二偏振態(tài)調(diào)制為第一偏振態(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 34的出射邊，將經(jīng)過第二 PBS 34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，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I的基礎(chǔ)上，下面再結(jié)合圖2、圖3和圖4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中反射和透射，以及偏振態(tài)的變化等。圖2給出了紅光光束212的光線軌跡和偏振態(tài)。從紅光LED 21發(fā)出的光經(jīng)過紅光勻光器211,透紅反藍(lán)濾光片321和寬波段四分之一波片331后進(jìn)入第一 PBS 31。紅光被第一 PBS 31分解為相互正交的偏振光束S和P。P光直接透射出去，而S光被反射向藍(lán)光LED 23，透藍(lán)反紅濾光片323將紅光反射回原路，透過寬波段四分之一波片331和透紅返藍(lán)濾光片321后，返回到紅光LED 21。經(jīng)過光源反射后，S偏振的紅光再次通過透紅反藍(lán)濾光片321和寬波段四分之一波片331。S偏振的紅光兩次通過寬波段四分之一波片331，其偏振態(tài)從S光變?yōu)镻光，進(jìn)入第一 PBS 31后透射到后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)。因此，出射的P偏振紅光可以看成兩部分，一部分是經(jīng)過第一 PBS 31直接透射的部分，另一部分是本來的S偏振，經(jīng)過透藍(lán)反紅濾光片323和寬波段四分之一波片331偏振轉(zhuǎn)換重復(fù)利用的部分。圖3給出了的綠光光束222的光線軌跡和偏振態(tài)。綠光LED 22發(fā)出的光經(jīng)過綠光勻光器221后直接達(dá)到第一 PBS，被分解成相互正交的S光和P光。S偏振的綠光直接被反射出去，而P偏振的綠光則透過第一 PBS 31而不能被后續(xù)系統(tǒng)利用。圖4給出了的藍(lán)光光束232的光線軌跡和偏振態(tài)。藍(lán)光LED 23發(fā)出的光經(jīng)過藍(lán)光勻光器231和透藍(lán)反紅濾光片323后到達(dá)第一 PBS，被分解為相互正交的S光和P光。S偏振的藍(lán)光被反射向紅光LED 21，透過寬波段四分之一波片331后被透紅反藍(lán)濾光片321反射，再次經(jīng)過寬波段四分之一波片331。S偏振的藍(lán)光兩次通過寬波段四分之一波片331后，其偏振態(tài)從S光變?yōu)镻光,從第一 PBS 31透射進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)。而P偏振的藍(lán)光則透過第一 PBS 31而不能被后續(xù)系統(tǒng)利用。由此可見，從第一 PBS 31出射，經(jīng)過聚光透鏡32達(dá)到偏振干涉濾光片33前的三基色偏振態(tài)是不同的。紅光212和藍(lán)光232為P偏振態(tài)，而綠光222為S偏 振態(tài)。因此，必須采用具有選擇性光譜偏振旋轉(zhuǎn)特性的偏振干涉濾光片33，將三基色光的偏振態(tài)整合為同一偏振態(tài)。根據(jù)本實(shí)例的光引擎結(jié)構(gòu)，偏振干涉濾光片33應(yīng)將綠光222從S光旋轉(zhuǎn)90度后成為P光，而紅光212和藍(lán)光232則保持P偏振態(tài)不變。經(jīng)過偏振干涉濾光片33對(duì)三基色偏振整合后，入射到第二 PBS 34的三基色光均為P偏振態(tài)。為了提高系統(tǒng)的對(duì)比度，也可以在第二 PBS 34前加清除偏振片(未畫出)。P偏振的三基色光被第二 PBS 34透射后，進(jìn)入圖像調(diào)制模塊4。圖像調(diào)制模塊4根據(jù)輸入的圖像信號(hào)，依次將三基色光從P偏振轉(zhuǎn)變?yōu)镾偏振，經(jīng)第二 PBS 34反射后進(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)I可以做各種修改以滿足各種需求。例如，可以改變LED的相對(duì)位置，采用不同的濾光片來實(shí)現(xiàn)光路整合。根據(jù)LED的相對(duì)位置和濾光片特性不同，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅光、綠光或者藍(lán)光的重復(fù)利用。相應(yīng)地，各基色濾光片的特性和偏振干涉濾光片的光譜偏轉(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第一 PBS反射綠光而透過紅光和藍(lán)光。這是因?yàn)橥ǔBS的反射率較高，而且透紅反藍(lán)濾光片或者透藍(lán)反紅濾光片中藍(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，成本更低。此外，綠光偏振干涉濾光片的光譜帶寬也適中，即不會(huì)出現(xiàn)色彩混疊，又不會(huì)泄露其它基色。本實(shí)施例只對(duì)某一基色的實(shí)現(xiàn)偏振光的重復(fù)利用，因此寬波段四分之一波片可以用對(duì)應(yīng)基色四分之一波片代替，以節(jié)省成本。實(shí)施例2圖5給出了本實(shí)用新型的第二個(gè)緊湊型反射式液晶投影系統(tǒng)I的實(shí)施例。相對(duì)于第一個(gè)實(shí)施例，第二個(gè)實(shí)施例將紅光LED 21與紅光勻光器件211和綠光LED 22與綠光勻光器件221位置對(duì)調(diào)，藍(lán)光LED 23和藍(lán)光勻光器件231保持不變。相對(duì)應(yīng)地，用透綠反藍(lán)濾光片322代替透紅反藍(lán)濾光片321，用透藍(lán)反綠濾光片325代替透藍(lán)反紅濾光片323。本實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)綠光的重復(fù)利用，從第一 PBS 31出射的綠光為P偏振態(tài)，紅光和藍(lán)光為S偏振態(tài)。此時(shí)，偏振干涉濾光片33應(yīng)該選擇半波旋轉(zhuǎn)綠光而保持紅光和藍(lán)光偏振態(tài)不變。實(shí)施例3圖6給出了本實(shí)用新型的第三個(gè)實(shí)施例。與第一個(gè)實(shí)施例相比，本實(shí)施例的不同之處在于偏振合色單元由第一 PBS 31、透紅反藍(lán)濾光片321、透綠反藍(lán)濾光片322、透藍(lán)反紅綠濾光片324和寬波段四分之一波片331組成。寬波段四分之一波片331和第二寬波段四分之一波片332分別膠合于第一PBS 31的紅光入射面和綠光入射面，再分別與透紅反藍(lán)濾光片321和透綠反藍(lán)濾光片322膠合，透紅反藍(lán)濾光片321位于第一 PBS 31的紅光入射面，透綠反藍(lán)濾光片322位于第一 PBS 31的綠光入射面。透藍(lán)反紅綠濾光片324膠合于第一 PBS 31的藍(lán)光入射面。透紅反藍(lán)濾光片321透射紅光LED 21發(fā)出的紅光212，而反射從藍(lán)光LED 23發(fā)出的藍(lán)光232。透綠反藍(lán)濾光片322透射綠光LED 22發(fā)出的綠光222，而反射從藍(lán)光LED 23發(fā)出的藍(lán)光232。透藍(lán)反紅綠濾光片324透射藍(lán)光LED 23發(fā)出的藍(lán)光232，而反射從紅光LED 21發(fā)出的紅光212和綠光LED 22發(fā)出的綠光222。聚光透鏡32和偏振干涉濾光片33位于第一 PBS 31和第二 PBS 34之間。偏振干涉濾光片33可以實(shí)現(xiàn)選擇性的光譜偏振旋轉(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，綠光光束222，藍(lán)光光束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7給出了第三個(gè)實(shí)施例中紅光212的光線軌跡和偏振態(tài)。從紅光LED 21發(fā)出的光經(jīng)過紅光勻光器211，透紅反藍(lán)濾光片321和寬波段四分之一波片331后進(jìn)入第一 PBS31。紅光被第一 PBS 31分解為相互正交的偏振光束S和P。P光直接透射出去，而S光被反射向藍(lán)光LED 23，透藍(lán)反紅綠濾光片324將紅光原路反射回去，經(jīng)第一 PBS 31反射后依次透過寬波段四分之一波片331和透紅返藍(lán)濾光片321，返回到紅光LED 21。經(jīng)過光源反射后，S偏振的紅光再次通過透紅反藍(lán)濾光片321和寬波段四分之一波片331。S偏振的紅光兩次通過寬波段四分之一波片331后,其偏振態(tài)從S光變?yōu)镻光,從第一 PBS 31透射,并與之前直接出射的P偏振紅光合并。因此，出射的P偏振紅光可以看成兩部分，一部分是經(jīng)過第一 PBS 31直接透射的部分，另一部分是本來的S偏振，經(jīng)過寬波段四分之一波片331和透藍(lán)反紅綠濾光片324偏振轉(zhuǎn)換重復(fù)利用的部分。圖8給出了第三個(gè)實(shí)施例中綠光222的光線軌跡和其偏振態(tài)。從綠光LED 22發(fā)出的光經(jīng)過綠光勻光器221，透綠反藍(lán)濾光片322和寬波段四分之一波片331后進(jìn)入第一 PBS31。綠光被第一 PBS 31分解為相互正交的偏振光束S和P。S光直接反射出去，而P光則透射向藍(lán)光LED 23，透藍(lán)反紅綠濾光片324將綠光原路反射回去，經(jīng)第一 PBS 31透射后依次透過第二寬波段四分之一波片332和透綠返藍(lán)濾光片322，返回到綠光LED 22。經(jīng)過光源反射后，P偏振的綠光再次通過透綠反藍(lán)濾光片322和寬波段四分之一波片331。P偏振的綠光兩次通過第二寬波段四分之一波片332后，其偏振態(tài)從P光變?yōu)镾光，從第一PBS 31反射出去，并與之前直接反射的S偏振的綠光合并。因此，出射的S偏振的綠光可以看成兩部分，一部分是經(jīng)過第一 PBS 31直接反射的部分，另一部分是本來的P偏振，經(jīng)過寬波段四分之一波片331和透藍(lán)反紅綠濾光片324偏振轉(zhuǎn)換重復(fù)利用的部分。圖9給出了第三個(gè)實(shí)施例中藍(lán)光232的光線軌跡和其偏振態(tài)。從藍(lán)光LED 22發(fā)出的光經(jīng)過藍(lán)光勻光器231和透藍(lán)反紅綠濾光片324后進(jìn)入第一 PBS 31。綠光被第一 PBS31分解為相互正交的偏振光束S和P。S光反射向紅光LED 21，而P光則透射向綠光LED22。S偏振的藍(lán)光經(jīng)過寬波段四分之一波片331后被透紅反藍(lán)濾光片321反射再次經(jīng)過寬波段四分之一波片331。兩次通過寬波段四分之一波片331，S偏振態(tài)的藍(lán)光變成P偏振態(tài)直接透過第一 PBS 31進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)。P偏振的藍(lán)光經(jīng)過第二寬波段四分之一波片332后被透綠反藍(lán)濾光片322反射再次經(jīng)過第二寬波段四分之一波片332。兩次通過寬波段四分之一波片，P偏振態(tài)的藍(lán)光變成S偏振態(tài)被第一 PBS 31反射進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)。因此，從第一 PBS出射的藍(lán)光同時(shí)具有S和P偏振。但對(duì)于后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)，只能利用其中一種偏振態(tài)的光。可以選擇與綠光相同的S偏振態(tài)，也可以選擇與紅光相同的P偏振態(tài)，相應(yīng)的偏振干涉濾光片的偏振旋轉(zhuǎn)特性也有所不同。也即是說，藍(lán)光只能利用一種偏振態(tài)的光，而另一種偏振態(tài)的光則不能被重復(fù)利用。其實(shí)，在實(shí)際的投影系統(tǒng)中，藍(lán)光所占的比重較少，即便不重復(fù)利用對(duì)整機(jī)的輸出亮度影響也不大，而且使得系統(tǒng)體積減小30%，這對(duì)于投影系統(tǒng)的微型化是有益的。值得注意，對(duì)于本實(shí)用新型的投影光學(xué)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的相對(duì)位置，采用不同的濾光片來實(shí)現(xiàn)光路整合。根據(jù)LED的相對(duì)位置和濾光片特性不同，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅光、綠光和者藍(lán)光三基色中的兩種基色光的重復(fù)利用。相應(yīng)地，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第一 PBS反射綠光而透過紅光和藍(lán)光。這是因?yàn)橥ǔBS的反射率較高，因此有利于投影中比重最大的綠光。此外，綠光偏振干涉濾光片的光 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。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1.一種緊湊型反射式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 )，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(211)、綠光勻光器(221)和藍(lán)光勻光器(231)，紅光LED (21)和紅光勻光器(211)相連，綠光LED (22)和綠光勻光器(221)相連，藍(lán)光LED (23)和藍(lán)光勻光器(231)相連；光管理模塊(3)由偏振合色單元、聚光透鏡(32)、偏振干涉濾光片(33)、第二 PBS (34)依次同軸排列組成；其特征在于，偏振合色單元由第一 PBS (31)、透紅反藍(lán)濾光片(321)、透藍(lán)反紅濾光片(323)和寬波段四分之一波片(331)組成，紅光LED (21)發(fā)出的紅光依次透過透紅反藍(lán)濾光片(321)和寬波段四分之一波片(331)進(jìn)入第一 PBS (31)后，P偏振態(tài)的光直接透射出去，S偏振態(tài)的光依次經(jīng)第一 PBS (31)、透藍(lán)反紅濾光片(323)和第一 PBS (31)反射后，透過寬波段四分之一波片(331)和透紅反藍(lán)濾光片(321)進(jìn)入紅光LED (21)，被紅光LED (21)反射后再次透過透紅反藍(lán)濾光片(321)和寬波段四分之一波片(331)，變成P偏振態(tài)的光從第一 PBS (31)透射出去；綠光LED (22)發(fā)出的綠光進(jìn)入第一PBS (31)后，S偏振態(tài)的光直接被反射出去；藍(lán)光LED (23)發(fā)出的藍(lán)光透過透藍(lán)反紅濾光片(323)進(jìn)入第一 PBS (31)后，S偏振態(tài)的光由第一 PBS (31)反射,透過寬波段四分之一波片(331)，由透紅反藍(lán)濾光片(321)反射后再次透過寬波段四分之一波片(331)變成P偏振態(tài)的光，從第一 PBS (31)透射出去；從第一 PBS (31)出來的光依次透過聚光透鏡(32)、偏振干涉濾光片(33)和第二 PBS (34)后，由圖像信息模塊(4)反射回第二 PBS (34)，再由第二 PBS (34)反射至投影鏡頭(5)。
2.一種緊湊型反射式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 )，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(211)、綠光勻光器(221)和藍(lán)光勻光器(231)，紅光LED (21)和紅光勻光器(211)相連，綠光LED (22)和綠光勻光器(221)相連，藍(lán)光LED (23)和藍(lán)光勻光器(231)相連；光管理模塊(3)由偏振合色單元、聚光透鏡(32)、偏振干涉濾光片(33)、第二 PBS (34)依次同軸排列組成；其特征在于，偏振合色單元由第一 PBS (31)、透綠反藍(lán)濾光片(322)、透藍(lán)反綠濾光片(325)和寬波段四分之一波片(331)組成，綠光LED (22)發(fā)出的綠光依次透過透綠反藍(lán)濾光片(322)和寬波段四分之一波片(331)進(jìn)入第一 PBS (31)后，P偏振態(tài)的光直接透射出去，S偏振態(tài)的光依次經(jīng)第一 PBS (31)、透藍(lán)反綠濾光片(325)和第一 PBS (31)反射后，透過寬波段四分之一波片(331)和透綠反藍(lán)濾光片(322)進(jìn)入綠光LED (22)，被綠光LED (22)反射后再次透過透綠反藍(lán)濾光片(322)和寬波段四分之一波片(331)，變成P偏振態(tài)的光從第一 PBS (31)透射出去；紅光LED (22)發(fā)出的紅光進(jìn)入第一PBS (31)后，S偏振態(tài)的光直接被反射出去；藍(lán)光LED (23)發(fā)出的藍(lán)光透過透藍(lán)反綠濾光片(325)進(jìn)入第一 PBS (31)后，S偏振態(tài)的光由第一 PBS (31)反射,透過寬波段四分之一波片(331)，由透綠反藍(lán)濾光片(322)反射后再次透過寬波段四分之一波片(331)變成P偏振態(tài)的光，從第一 PBS (31)透射出去；從第一 PBS (31)出來的光依次透過聚光透鏡(32)、偏振干涉濾光片(33)和第二 PBS (34)后，由圖像信息模塊(4)反射回第二 PBS (34)，再由第二 PBS (34)反射至投影鏡頭(5)。
3.一種緊湊型反射式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)，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(211)、綠光勻光器(221)和藍(lán)光勻光器(231)，紅光LED(21)和紅光勻光器(211)相連，綠光LED (22)和綠光勻光器(221)相連，藍(lán)光LED (23)和藍(lán)光勻光器(231)相連；光管理模塊(3)由偏振合色單兀、聚光透鏡(32)、偏振干涉濾光片(33)、第二 PBS (34)依次同軸排列組成；其特征在于，偏振合色單元由第一 PBS (31)、透紅反藍(lán)濾光片(321)、透藍(lán)反紅綠濾光片(324)、透綠反藍(lán)濾光片(322)、寬波段四分之一波片(331)和第二寬波段四分之一波片(332)和組成；紅光LED (21)發(fā)出的紅光依次透過透紅反藍(lán)濾光片(321)和寬波段四分之一波片(331)進(jìn)入第一 PBS (31)后，P偏振態(tài)的光直接透射出去，S 偏振態(tài)的光依次經(jīng)第一 PBS (31)、透藍(lán)反紅綠濾光片(324)和第一 PBS (31)反射后，透過寬波段四分之一波片(331)和透紅反藍(lán)濾光片(321)進(jìn)入紅光LED (21)，被紅光LED (21)反射后再次透過透紅反藍(lán)濾光片(321)和寬波段四分之一波片(331)，變成P偏振態(tài)的光從第一 PBS (31)透射出去；綠光LED (22)發(fā)出的綠光進(jìn)入第一 PBS (31)后，依次透過透綠反藍(lán)濾光片(322)和第二寬波段四分之一波片(332)進(jìn)入第一 PBS (31)后，S偏振態(tài)的光直接被第一 PBS (31)反射出去，P偏振態(tài)的光透過第一 PBS (31)、由透藍(lán)反紅綠濾光片(324)反射后再依次透過第一 PBS (31)，第二寬波段四分之一波片(332)和透綠反藍(lán)濾光片(322)進(jìn)入綠光LED (22)，被綠光LED (22)反射后再次透過透綠反藍(lán)濾光片(322)和第二寬波段四分之一波片(332)，變成S偏振態(tài)的光從第一 PBS (31)反射出去；藍(lán)光LED(23)發(fā)出的藍(lán)光透過透藍(lán)反紅綠濾光片(324)進(jìn)入第一 PBS (31)后，S偏振態(tài)的光由第一PBS (31)反射，透過寬波段四分之一波片(331)，由透紅反藍(lán)濾光片(321)反射后再次透過寬波段四分之一波片331變成P偏振態(tài)的光,從第一 PBS (31)透射出去，P偏振態(tài)的光由第一 PBS (31)透射，透過第二寬波段四分之一波片(332)，由透綠反藍(lán)濾光片(322)反射后再次透過第二寬波段四分之一波片(332)變成S偏振態(tài)的光，從第一 PBS (31)反射出去；從第一 PBS (31)出來的光依次透過聚光透鏡(32)、偏振干涉濾光片(33)和第二 PBS (34)后，由圖像信息模塊(4)反射回第二 PBS (34)，再由第二 PBS (34)反射至投影鏡頭(5)。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種緊湊型的反射式液晶投影光引擎系統(tǒng)。該光引擎系統(tǒng)由光源模塊，偏振光管理模塊，圖像信號(hào)模塊和投影鏡頭組成。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。偏振光管理模塊由偏振分束棱鏡(PBS)，基色濾光片及偏振合色器件等組成，將不同偏振態(tài)的三基色光整合為同一偏振光并重復(fù)利用某種基色的另一偏振光，以提升光學(xué)利用率；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)序地將圖像信號(hào)加載于三基色偏振光；投影鏡頭將攜帶圖像信號(hào)的光投影于屏幕上。
文檔編號(hào)G02B27/09GK202583680SQ20122016950
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者陸巍, 賀銀波 申請(qǐng)人:杭州研明光電技術(shù)有限公司