專利名稱：一種三片式lcos激光投影顯示用光學(xué)引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎，屬于激光顯示技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
投影顯示技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的的發(fā)展，逐步走向成熟，并得到廣泛的應(yīng)用。目前投影 顯示技術(shù)主要分為CRT、IXD、DLP、LCOS四類。CRT投影顯示技術(shù)發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)最成 熟，但由于其亮度低、顯示尺寸有限、體積大、笨重、調(diào)整復(fù)雜且長(zhǎng)時(shí)間顯示靜止畫面會(huì)使陰 極射線管產(chǎn)生灼傷等缺點(diǎn)，目前已很少使用；LCD投影顯示技術(shù)近十年來(lái)發(fā)展十分迅速，它 具有體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但它存在光利用率低、像素感強(qiáng)等缺點(diǎn)；DLP 投影顯示技術(shù)，是目前唯一的全數(shù)字投影技術(shù)，其成像器件是DMD，它具有光能利用率比較 高、響應(yīng)速度快、亮度和色均勻性好、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)；而LCOS投影顯示技術(shù)則結(jié)合 了 IXD和DLP兩種投影顯示技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)分辨率高、圖像細(xì)膩；(2)開口 率高、光能利用率高、亮度高；(3)對(duì)比度比IXD高，可達(dá)2000:1 ； (4)和DLP面板一樣能直 接反射光而使面板不易被灼傷；(5)無(wú)殘影現(xiàn)象。無(wú)論何種投影顯示技術(shù)，光源都是保證其顏色逼真，圖像色彩豐富的關(guān)鍵。在 國(guó)際照明委員會(huì)(CIE) 1931年發(fā)布的色度圖上，激光顯示色域三角形面積是傳統(tǒng)CRT色域 三角形面積的2倍以上，這就意味著激光投影顯示的色域范圍更寬廣，所顯示出來(lái)的顏色 更逼真。另外，激光顯示與傳統(tǒng)顯示相比，還存在如下優(yōu)勢(shì)①由于激光的光譜為線譜，所以 激光的色純度、飽和度都很高；②與普通顯示相比，在相同尺寸，相同顯示效果條件下，激光 顯示損耗的光能較低；③激光顯示在室溫下壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)以上，其壽命長(zhǎng)，可靠性高； ④激光顯示易于實(shí)現(xiàn)大尺寸屏幕。綜上所述，基于LCOS的激光投影顯示技術(shù)，是未來(lái)投影顯示技術(shù)的發(fā)展方向和必 然趨勢(shì)。理論上，在傳統(tǒng)的投影顯示混色機(jī)制中，無(wú)論是基于三片式LCOS的空間混色技術(shù)， 還是基于單片式LCOS利用高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)帶動(dòng)色輪實(shí)現(xiàn)時(shí)間混色技術(shù)，都有67%的光能被 浪費(fèi)掉了，所以基于LCOS投影顯示技術(shù)，尋找一種新的混色機(jī)制，盡可能降低光能浪費(fèi)，是 投影顯示技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)前的第一要?jiǎng)?wù)。專利號(hào)為ZL200720310464. 8的中國(guó)專利“LC0S光學(xué)引擎系統(tǒng)”公開了一種LCOS 光學(xué)引擎系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括UHP光源、光棒、中繼透鏡組、分色鏡、反射鏡、預(yù)起偏器、偏振分 光鏡(PBS)、LC0S芯片、X型合光棱鏡和投影鏡頭；合光系統(tǒng)采用光核，光核內(nèi)設(shè)的PBS棱鏡 和合色棱鏡粘接為一體，在光核的R、G、B三個(gè)PBS棱鏡的外側(cè)分別設(shè)有LCOS芯片，該系統(tǒng) 雖然實(shí)現(xiàn)了圖像的彩色顯示，但其UHP光源的工作壽命短，濾色降低光能的利用率，顯示系 統(tǒng)色域窄，系統(tǒng)散熱復(fù)雜，可靠性和穩(wěn)定性差。專利號(hào)為200710042362. 7的中國(guó)專利“三色 LED照明的三片式LCOS投影機(jī)光學(xué)引擎”，用紅、綠和藍(lán)三色LED光源代替上專利中的UHP 光源；用紅、綠和藍(lán)三色光的三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的照明系統(tǒng)代替上專利中的分色照明系統(tǒng)。該系 統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了圖像的彩色顯示，但由于LED光源是多點(diǎn)組成的面光源，這就要求其三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的照明系統(tǒng)整理光束時(shí)所用器件多，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種激光照明、光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的三片式LCOS投影顯示 用光學(xué)引擎。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的一種三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎，包括 光源、投影物鏡、由三個(gè)偏振分光棱鏡和一個(gè)X型合光棱鏡以及分別設(shè)于三個(gè)偏振分光棱 鏡外側(cè)的LCOS組成的光核，所述光源發(fā)出的光束通過(guò)光核射入投影物鏡，所述光源為紅、 綠、藍(lán)激光器，該三色激光器與光核之間設(shè)有三個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)相同的用于將相對(duì)應(yīng)激光器發(fā) 射的激光束調(diào)整為均勻矩形平行光束的勻光整形系統(tǒng)，所述三激光器的發(fā)光中心位于相 應(yīng)的勻光整形系統(tǒng)的主光軸上，且三勻光整形系統(tǒng)的主光軸相互平行；三激光器發(fā)出的三 光束分別通過(guò)勻光整形系統(tǒng)調(diào)整為尺寸合適的均勻矩形平行光束后，其中兩束光直接射入 對(duì)應(yīng)的偏振分光棱鏡，另一束光通過(guò)反射鏡的反射后進(jìn)入對(duì)應(yīng)的偏振分光棱鏡，分別從三 偏振分光棱鏡出射的三色偏振光經(jīng)X型合光棱鏡合成為白光，進(jìn)入投影物鏡，實(shí)現(xiàn)激光全 色顯示。進(jìn)一步的，所述勻光整形系統(tǒng)包括用于將激光器發(fā)出的光束變成圓形平行光的擴(kuò) 束準(zhǔn)直子系統(tǒng)、用于將圓形平行光變?yōu)榫鶆虻木匦纹叫泄獾墓馐蜗咦酉到y(tǒng)和用于 消散斑的共軛消相位器。進(jìn)一步的，所述擴(kuò)束準(zhǔn)直子系統(tǒng)是由一個(gè)雙凹透鏡和一個(gè)雙凸透鏡組成，且雙凸 透鏡的焦點(diǎn)與雙凹透鏡的虛焦點(diǎn)重合。進(jìn)一步的，所述光束整形消散斑子系統(tǒng)包括第一、第二傅立葉變換透鏡、微型轉(zhuǎn)動(dòng) 電機(jī)、連接板、小角度散射器和相位衍射型光學(xué)器件，所述微型轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)固設(shè)于連接板上， 該連接板中心設(shè)有透光小孔，所述第一傅立葉變換透鏡、小孔、相位衍射型光學(xué)器件和第二 傅立葉變換透鏡依次設(shè)于勻光整形系統(tǒng)的主光軸上，連接板垂直于勻光整形系統(tǒng)的主光 軸，所述小角度散射器設(shè)于靠近相位衍射型光學(xué)器件的微型轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)上。進(jìn)一步的，所述小角度散射器的散射角小于1度。進(jìn)一步的，所述反射鏡為單波長(zhǎng)介質(zhì)膜高反射鏡，用于反射綠光。進(jìn)一步的，所述紅、藍(lán)光偏振分光棱鏡與X型合光棱鏡之間設(shè)有二分之一波片。進(jìn)一步的，所述三激光器和三勻光整形系統(tǒng)并排設(shè)于同一平面上，且位于LCOS投 影光學(xué)系統(tǒng)的同一側(cè)。本實(shí)用新型的一種三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎以激光器為光源，產(chǎn)生 的激光是帶寬較窄的線偏振光，不用濾色片，省去了大量偏振片，在降低成本的同時(shí)提高了 光能利用率；利用激光的偏振特性，無(wú)需經(jīng)過(guò)偏振器件獲得偏振光，又進(jìn)一步提高了光能 利用率；使用勻光整形系統(tǒng)能夠得到比較均勻、色純、亮度高的照明光斑；由于激光的帶寬 窄、波長(zhǎng)可調(diào)，該光學(xué)引擎在色域范圍、色彩的鮮明程度、彩色的逼真程度上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于現(xiàn) 有投影系統(tǒng)的光學(xué)引擎，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。
圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；[0017]圖2是擴(kuò)束準(zhǔn)直子系統(tǒng)示意圖；圖3是光束整形消散斑系統(tǒng)示意圖；圖4是相位衍射型光學(xué)器件原理圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的一種三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎如圖1所示，包括紅色激 光器1、綠色激光器2、藍(lán)色激光器3、三個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)相同的勻光整形系統(tǒng)、反射鏡13、紅光 偏振分光棱鏡14、綠光偏振分光棱鏡15、藍(lán)光偏振分光棱鏡16、紅LCOS 17 JfLCOS 18、藍(lán) LCOS 19、X型合光棱鏡20和投影物鏡21。其中紅色激光器的波長(zhǎng)為635nm ；綠色激光器的 波長(zhǎng)為532 nm ；藍(lán)色激光器的波長(zhǎng)為447 nm ；反射鏡為單波長(zhǎng)介質(zhì)膜高反射鏡，用于反射 綠光。三個(gè)偏振分束鏡均是邊長(zhǎng)為25. 4mm的立方棱鏡，其同時(shí)具有起偏和檢偏的作用；X型 合光棱鏡是邊長(zhǎng)為25. 4mm的立方棱鏡，能將三色激光合成為標(biāo)準(zhǔn)白光；三個(gè)LCOS的尺寸均 為 0. 7 英寸(16 :9)。紅、綠、藍(lán)光偏振分光棱鏡和X型合光棱鏡20及分別設(shè)于紅、綠、藍(lán)偏振分光棱鏡 外側(cè)的紅、綠、藍(lán)LCOS組成光核，各偏振分光棱鏡靠近X型合光棱鏡設(shè)置；紅、藍(lán)光偏振分光 棱鏡與X型合光棱鏡之間設(shè)有二分之一波片。本光學(xué)引擎的三激光器光源與光核之間設(shè)有三個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)相同的勻光整形系統(tǒng)， 用于將相對(duì)應(yīng)激光器發(fā)射的激光束調(diào)整為均勻矩形平行光束，以三激光器為光源，三激光 器的發(fā)光中心位于相應(yīng)的勻光整形系統(tǒng)的主光軸上，且三勻光整形系統(tǒng)的主光軸相互平 行，三激光器和三勻光整形系統(tǒng)并排設(shè)于同一平面上，且位于LCOS投影光學(xué)系統(tǒng)的同一 側(cè)。三勻光整形系統(tǒng)均包括用于將激光器發(fā)出的光束變成圓形平行光的擴(kuò)束準(zhǔn)直子 系統(tǒng)、用于將圓形平行光變?yōu)榫鶆虻木匦纹叫泄獾墓馐蜗咦酉到y(tǒng)和用于消散斑的 共軛消相位器，該共軛消相位器為相位衍射型光學(xué)器件。如圖2所示，擴(kuò)束準(zhǔn)直子系統(tǒng)是 由一個(gè)雙凹透鏡和一個(gè)雙凸透鏡組成，且雙凸透鏡的焦點(diǎn)與雙凹透鏡的虛焦點(diǎn)重合。如圖 3所示，光束整形消散斑子系統(tǒng)包括第一傅立葉變換透鏡41、第二傅立葉變換透鏡47、微型 轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)42、連接板45、小角度散射器43和相位衍射型光學(xué)器件44，微型轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)42固 設(shè)于連接板42上，該連接板中心設(shè)有透光小孔46，第一傅立葉變換透鏡41、小孔46、相位 衍射型光學(xué)器件44和第二傅立葉變換透鏡47依次設(shè)于勻光整形系統(tǒng)的主光軸上，連接板 45垂直于勻光整形系統(tǒng)的主光軸，小角度散射器43設(shè)于靠近相位衍射型光學(xué)器件部分的 微型轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)42上，小孔46位于擴(kuò)束準(zhǔn)直子系統(tǒng)的光束聚焦處，使光能完全通過(guò)小孔46， 并保證連接板垂直于光軸。相位型衍射光學(xué)器件43置于小角度散射器件44之后。小角度 散射器在微型電機(jī)的帶動(dòng)下可長(zhǎng)時(shí)間高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)機(jī)械連接板中心孔的光束經(jīng)旋轉(zhuǎn)散射 器后能使激光散斑的襯比度減弱，相位型衍射光束整形器件能將圓形或橢圓形高斯或準(zhǔn)高 斯光束轉(zhuǎn)換成均勻的長(zhǎng)方形光束，這樣就達(dá)到了降低激光散斑的目的。小角度散射器是由 抗激光損傷閾值較高的石英材料制作而成，器散射角度不宜過(guò)大，本實(shí)用新型散射器的散 射角小于1度。相位衍射型光學(xué)器件52應(yīng)緊貼傅立葉變換透鏡51放置，激光 束經(jīng)前面的系統(tǒng)后入射到傅立葉變換透鏡(或相位衍射型光學(xué)器件)上，在傅立葉變換透鏡的后焦面上得到L即所需要的光斑分布，如圖4所 示。該頻譜面上的光斑空間尺寸由傅立葉變換透鏡的焦距決定，具體關(guān)系為 IigMspotsm=/對(duì)纖仏其中/為透鏡焦距，α為衍射角。所以可通過(guò)調(diào)節(jié)傅立葉變換透 鏡的焦距按比例縮放頻譜面上的光斑空間尺寸。 使用時(shí)，紅激光器1、綠激光器2、藍(lán)色激光器3同時(shí)發(fā)出三束激光；三束激光分別 經(jīng)過(guò)各自的勻光整形系統(tǒng)先經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直子系統(tǒng)4、5、6變成圓形平行光，后經(jīng)光束整形消 散斑子系統(tǒng)7、8、9變成均勻的矩形平行光，再經(jīng)共軛消相位器件10、11、12再次消散斑，并 使光束橫截面大小尺寸適于LCOS的均勻矩形平行光束；紅色和藍(lán)色光束直接進(jìn)入與其相 應(yīng)的偏振分光棱鏡14、16，綠色光束經(jīng)反射鏡13反射后進(jìn)入綠偏振分光棱鏡15，三個(gè)偏振 分光棱鏡分別將S態(tài)的偏振光分別反射到LC0S17、18、19上，同時(shí)信號(hào)處理驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)把紅、 綠、藍(lán)三色視頻信號(hào)也分別加載到對(duì)應(yīng)的LCOS上，被LCOS分別調(diào)制后的光波反射回來(lái)，再 分別經(jīng)偏振分光棱鏡15、16、17檢偏，分別從三偏振分光棱鏡出射的P態(tài)的偏振光分別射入 X型合光棱鏡20 ；在X型合光棱鏡20處相遇的三色光，經(jīng)X型合光棱鏡20進(jìn)行空域混色， 合成白光，透射進(jìn)入投影物鏡21，實(shí)現(xiàn)激光全色顯示。本實(shí)用新型的光學(xué)引擎可用于家庭背 投電視，或商業(yè)鬧事、車站、碼頭等公共場(chǎng)所的大屏幕顯示。
權(quán)利要求1.一種三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎，包括光源、投影物鏡、由三個(gè)偏振分 光棱鏡和一個(gè)X型合光棱鏡以及分別設(shè)于三個(gè)偏振分光棱鏡外側(cè)的LCOS組成的光核，所 述光源發(fā)出的光束通過(guò)光核射入投影物鏡，其特征在于，所述光源為紅、綠、藍(lán)激光器，該三 色激光器與光核之間設(shè)有三個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)相同的用于將相對(duì)應(yīng)激光器發(fā)射的激光束調(diào)整為 均勻矩形平行光束的勻光整形系統(tǒng)，所述三激光器的發(fā)光中心位于相應(yīng)的勻光整形系統(tǒng) 的主光軸上，且三勻光整形系統(tǒng)的主光軸相互平行；三激光器發(fā)出的三光束分別通過(guò)勻光 整形系統(tǒng)調(diào)整為尺寸合適的均勻矩形平行光束后，其中兩束光直接射入對(duì)應(yīng)的偏振分光棱 鏡，另一束光通過(guò)反射鏡的反射后進(jìn)入對(duì)應(yīng)的偏振分光棱鏡，分別從三偏振分光棱鏡出射 的三色偏振光經(jīng)X型合光棱鏡合成為白光，進(jìn)入投影物鏡，實(shí)現(xiàn)激光全色顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎，其特征在于所述勻 光整形系統(tǒng)包括用于將激光器發(fā)出的光束變成圓形平行光的擴(kuò)束準(zhǔn)直子系統(tǒng)、用于將圓形 平行光變?yōu)榫鶆虻木匦纹叫泄獾墓馐蜗咦酉到y(tǒng)和用于消散斑的共軛消相位器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎，其特征在于所述擴(kuò) 束準(zhǔn)直子系統(tǒng)是由一個(gè)雙凹透鏡和一個(gè)雙凸透鏡組成，且雙凸透鏡的焦點(diǎn)與雙凹透鏡的虛 焦點(diǎn)重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎，其特征在于所述光 束整形消散斑子系統(tǒng)包括第一、第二傅立葉變換透鏡、微型轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)、連接板、小角度散射 器和相位衍射型光學(xué)器件，所述微型轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)固設(shè)于連接板上，該連接板中心設(shè)有透光小 孔，所述第一傅立葉變換透鏡、小孔、相位衍射型光學(xué)器件和第二傅立葉變換透鏡依次設(shè)于 勻光整形系統(tǒng)的主光軸上，連接板垂直于勻光整形系統(tǒng)的主光軸，所述小角度散射器設(shè)于 靠近相位衍射型光學(xué)器件的微型轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎，其特征在于所述小 角度散射器的散射角小于1度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎，其特 征在于所述反射鏡為單波長(zhǎng)介質(zhì)膜高反射鏡，用于反射綠光。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎，其特征在于所述 紅、藍(lán)光偏振分光棱鏡與X型合光棱鏡之間設(shè)有二分之一波片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎，其特征在于所述三 激光器和三勻光整形系統(tǒng)并排設(shè)于同一平面上，且位于LCOS投影光學(xué)系統(tǒng)的同一側(cè)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種三片式LCOS激光投影顯示用光學(xué)引擎，包括紅、綠、藍(lán)三色激光器、三勻光整形系統(tǒng)、光核、三片LCOS、一反射鏡、一投影物鏡,三激光器的發(fā)光中心位于相應(yīng)勻光整形系統(tǒng)的主光軸上，且三勻光整形系統(tǒng)主光軸相互平行；三激光器發(fā)出的三光束分別通過(guò)勻光整形系統(tǒng)調(diào)整為均勻矩形平行光束后，其中兩束光直接射入對(duì)應(yīng)的偏振分光鏡，另一束光通過(guò)反射鏡的反射后進(jìn)入對(duì)應(yīng)的偏振分光鏡，三色偏振光經(jīng)光核最終合成為白光射入投影物鏡；以激光器為光源，產(chǎn)生的激光是帶寬較窄的線偏振光，不用濾色片，省去了大量偏振片，在降低成本的同時(shí)提高了光能利用率；在色域范圍、色彩的鮮明程度、彩色的逼真程度上，好于現(xiàn)有投影系統(tǒng)的光學(xué)引擎。
文檔編號(hào)G02B27/48GK201926855SQ20112003255
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月30日
發(fā)明者李慧娟 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)