CN101202925A - 新型彩色激光投影显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型彩色激光投影显示设备，属于激光显示技术领域。该新型彩色激光投影显示设备包括激光光源模块、偏振分光棱镜、色散分光和合束元件、微显示器件、投影透镜和扫描转镜。激光光源模块输出的线形红、绿、蓝三色激光光束，经微显示器件分别调制之后，投射到扫描转镜，扫描形成图像。由于采用了线形光束扫描方案，并且利用色散分光和合束元件对红、绿、蓝三色激光分光后分别调制和再合束，无需采用分色时序调制设计方案。本发明相比已有的传统投影技术方案，简化了系统设计，不需对激光器调制，提高了激光光源利用效率，增强了投影画面亮度。

Description

新型彩色激光投影显示设备

技术领域

本发明涉及投影显示设备，更具体地说，涉及采用红、绿、蓝激光器为光源，并同时使用空间光调制器与线扫描方案的彩色激光投影显示设备。

背景技术

传统投影显示设备普遍采用的是金属卤素灯泡、UHE(Ultra high efficiency)灯泡、UHP(Ultra high performance)灯泡等光源。其共同缺点是电光转换效率低、寿命短、成本偏高，通常在运行几千小时后，亮度就会严重衰减；由于技术的限制，采用灯泡为光源还导致目前的投影系统体积偏大。同时，由于灯泡发光机理的限制，使其成像的色域范围较小，无法实现更为逼真的色彩还原。

除此之外，目前还有采用发光二极管LED光源的投影显示系统，如2006年9月5日授予Shindoh的美国专利7101049，标题为“投影仪光学以及采用LED光源的投影仪”。相比传统灯泡光源，采用LED作为投影仪光源，其优势在于：效率高、寿命大大延长，体积小，响应速度快，没有紫外或红外辐射。但是，目前LED还没有达到大尺寸背投电视与投影仪所期望的高亮度，因此LED光源主要定位于外形尺寸小和无需高亮度输出的应用领域。

而激光光源，尤其是半导体激光器LD，具有体积小，电光效率高，批量成本低等优点；相比灯泡以及LED等非相干光源，激光由于光谱更纯，提高了光能利用率，易于实现高亮度输出；并且通过选择合适的三基色波长，可以得到更广的色域，实现更加真实的色彩还原。

激光投影显示系统形成二维图像的方式包括：传统灯泡投影系统已经广泛采用的面阵空间光调制器SLM、激光束二维逐点扫描以及线空间光调制器结合一维扫描等。

采用的面阵空间光调制器主要包括：数字微镜器件DMD、液晶器件LCD和硅基液晶器件LCOS(liquid crystal on silicon)。其共同特点是：由许多微小光阀元件组成的二维阵列，每个元件对应二维图像的一个像素，并且都可以独立寻址，从而实现对光源的数字式调制。

DMD与LCD作为已经广泛使用的空间光调制器，在激光为光源的投影显示系统中也得到了应用。例如在授予Sang-whoe Doh等人的美国专利6385309中，就介绍了采用DMD器件作为空间光调制器激光投影系统，标题为“光耦合装置及其制造方法，以及利用该装置的光学仪器”；在授予Kapellner等人的美国专利7128420中，介绍了采用激光为光源，LCD作为空间光调制器的投影显示系统，标题为“图像投影装置与方法”。

LCOS器件属于新型的硅基芯片上的液晶反射式微投影器件。相比于LCD、DMD，LCOS投影技术具有光利用率高、响应时间短、易于实现高解析度等优点。目前，已经有采用LCOS微显示器件的激光投影系统，例如2003年7月15日授予Kruschwitz等人的美国专利6594090，标题为“激光投影显示系统”。

不同于传统的灯泡为光源的投影系统，激光投影系统还可以采用二维逐点扫描的方式来实现，例如2007年7月11日授予米克罗斯.斯坦恩等人的中国专利CN1998243A，标题为“彩色激光投影显示器”。采用扫描方式实现激光投影而无需使用空间光调制器，但是对红绿蓝三色激光器的调制频率要求较高。由于扫描时所采用的激光光束比采用面阵空间光调制器的投影系统的激光光斑要小得多，三色激光合束调整要求比较高。

除面阵空间光调制器以外，线阵空间光调制器也在激光投影显示设备中得到了应用，例如1994年5月10日授予Bloom等人的美国专利5311360，标题为“调制光束的方法和装置”，描述了光栅光阀GLV(Grating Light Valve)线阵器件；在2001年10月23日授予Kowarz等人的题为“具有保角光栅器件的空间光调制器”的美国专利6307663中，描述另一种线阵空间光调制GEMS(GratingElectro Mechanical System)。利用上述器件，可以对线形激光束进行调制，调制后的线光束扫描形成二维图像，例如2003年4月22日授予Kowarz等人的美国专利6552855，标题为“具有高灰度等级的图像形成系统”，就展示了利用多个GEMS器件的激光投影系统；2006年3月21日授予Ikeda等人的美国专利7016099，标题为“MEMS器件，GLV装置以及激光显示”，展示了采用三片GLV分别作为红、绿、蓝三色激光的空间光调制器的激光投影系统。

相比LCD、DMD等面阵空间光调制器，线阵空间光调制器能够简化系统设计，并提供更高的图像解析度；相比二维逐点扫描方案，降低了对激光器的调制频率要求，降低了三色激光合束的难度，能够提供更好的图像质量。但是，GLV、GEMS等线阵空间光调制器属于MEMS(Micro-electromechanical System)器件，其成本较高，光能利用率较低；同时此类器件本身像素单元尺寸较大，导致器件体积偏大，更适用于外形较大的投影系统，不利于控制投影系统体积。

发明内容

本发明所要解决的技术问题提供一种结构简单、易于实现的激光投影显示设备。

本发明所采用的技术方案是：一种新型彩色激光投影显示设备，包括一激光光源模块、一偏振分光棱镜、一微显示器件、一色散分光和合束元件、一扫描转镜及至少一个投影透镜，其中：激光光源模块，产生投影所需的红、绿、蓝三色激光光束；偏振分光棱镜，设置在激光光源模块与色散分光和合束元件之间，用于控制光路中激光光束的透过与反射；色散分光和合束元件，设置在偏振分光棱镜与微显示器件之间，对从偏振分光棱镜入射的红、绿、蓝三色激光光束进行分光，并使经微显示器件调制后反射回的三色激光光束重新合束，再由偏振分光棱镜反射或透射；微显示器件，对从色散分光和合束元件分光后入射的三色激光光束分别调制后反射；投影透镜，设置在偏振分光棱镜与扫描转镜之间，将经微显示器件调制并由偏振分光棱镜反射的三色激光光束投影到扫描转镜；扫描转镜，将从投影透镜入射的激光光束扫描形成图像。

上述的新型彩色激光投影显示设备，其中，激光光源模块产生的红、绿、蓝三色激光光束为偏振方向相同的线偏振光，具有大小相同且光强均匀分布的线形光斑，并且合成一束后出射。

上述的新型彩色激光投影显示设备，其中，色散分光和合束元件为玻璃平板、色散棱镜或其它利用色散特性进行分光的光学元件。

上述的新型彩色激光投影显示设备，其中，微显示器件为面阵型空间光调制器或独立的三列二维面阵型空间光调制器的组合。

本发明的优点在于，利用线光束扫描的方式来形成二维图像，相比二维逐点扫描方式，降低了对激光器的调制要求，降低了光束合束精度要求；相比面阵显示器件，简化了光学和电路结构。

本发明的另一个优点在于，由于采用了色散分光和合束元件，三色激光束的分束与调制后重新合束都由此元件完成；此外三色激光光束被分束，可以被空间光调制器同时、分别调制，无需采用分色时序调制设计方案，简化了设计；提高了光源利用率，增加了投影亮度。

附图说明

图1是本发明新型彩色激光投影显示设备的结构示意图。

图2是本发明另一实施方式的结构示意图，在图2中，采用了与图1不同的色散分光和合束元件。

图3是说明图2中所采用的色散分光和合束元件的工作原理的示意图。

图4说明本发明采用一个面阵型LCOS器件时的部分光路示意图。

图5是说明本发明采用三列独立的二维面阵型LCOS器件时的部分光路示意图。

图6是说明不采用色散分光和合束元件时的激光投影显示设备示意图。

具体实施方式

下面将结合附图更详细地描述根据本发明的激光投影显示设备的具体实施方式。

图1是本发明的一个具体实施例。如图所示，本发明的新型彩色激光投影显示设备包括一激光光源模块110、一偏振分光棱镜111、一色散分光和合束元件112、一微显示器件113、一投影透镜114以及一扫描转镜115。激光光源模块110、偏振分光棱镜111、色散分光和合束元件112、微显示器件113依次排列，偏振分光棱镜111设置在激光光源模块110与色散分光和合束元件112之间，色散分光和合束元件112设置在偏振分光棱镜111与微显示器件113之间。在本实施例中采用平板玻璃作为色散分光和合束元件112，LCOS器件作为微显示器件113。投影透镜114的数量不限于一个，也可以是多个。

激光光源模块110发出合束的且偏振方向相同的红、绿、蓝三色线形激光光束，在入射到偏振分光棱镜111上时全部透射。在本实施方式中，激光光源模块110包括红、绿、蓝三色激光器以及相关的光学元件，红、绿、蓝三色线形激光光束被相关光学元件整形为大小相同且光强分布均匀的线形光斑。透过偏振分光棱镜111的激光光束入射到色散分光和合束元件112上时，红、绿、蓝三色激光光束在色散分光和合束元件112的出光面分离，光束保持平行，垂直入射到微显示器件113。三色激光光束经微显示器件113调制后反射，经过色散分光和合束元件112重新合束成一束光，经调制并重新合束的光束入射到偏振分光棱镜111，根据此时三色激光光束对应微显示器件113像素点的光点的偏振态，三束光将有一部分光强透射，另一部分光强被反射，反射光通过投影透镜114入射到扫描转镜115，扫描转镜115以一定角度扫描转动，使线光束在屏幕116上形成二维图像。较佳的是，从投影透镜114射出的光束的发散角与扫描转镜115的扫描投影角度相同。

在图1所示的实施例中，采用平板玻璃作为色散分光和合束元件。由于玻璃材料的色散系数一般较小，为了分离三色激光束，需要使用较厚的平板玻璃。图2提供了本发明的另一个具体实施例，其中，色散分光和合束元件112采用了镀有光学薄膜的平板玻璃。图3是该镀有光学薄膜的平板玻璃的工作原理示意图。如图所示，在该平板玻璃的上、下表面的阴影区域118和119镀有光学薄膜，使红、绿、蓝三色激光光束在平板玻璃内多次反射；当三色激光光束从平板玻璃的另一面出射时，三色激光束已经分离。采用图3所示的色散分光和合束元件可以有效地减小厚度。本发明的色散分光和合束元件112还可采用色散棱镜或其它利用色散特性进行分光的光学元件。

图1中所采用的微显示器件113，可以有图4和图5所示的两种不同的类型与工作方式。在图4中，微显示器件113采用的是面阵型的LCOS器件，由三束激光入射的不同区域对三束激光分别调制，LCOS器件中有相当一部分面积的像素没有光照射，不能充分利用；图5中采用的是三列线形组合的面阵型LCOS器件，三列线形面阵型LCOS器件对三束激光分别调制，采用此种器件的优点在于减小了LCOS的面积，有助于提高良品率。色散分光和合束元件112采用了图1所用的平板玻璃，但是本领域的技术人员应该理解，图4和图5中的平板玻璃同样可以用图3所示的平板玻璃替换。

图6是在简化了图1和图2中的色散分光和合束元件112后的激光投影显示设备示意图。由于没有进行分光，红绿蓝三色激光光束将采取分色时序调制的方式。其优点是简化了系统设计，可以缩小体积；缺点是提高了对LCOS微显示器件的要求，需要有更短的响应时间。

上面所公开的具体实施方案只是示例性的，因为可以用本领域技术人员容易想到的不同但等价的方式来修改或实践本发明。本领域的技术人员能够理解，在不背离权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式上和细节上的变化。例如，本领域的技术人员都很清楚，色散分光元件还可以采用色散棱镜等形式。

Claims (8)

1.一种新型彩色激光投影显示设备，其特征在于，包括一激光光源模块、一偏振分光棱镜、一微显示器件、一色散分光和合束元件、一扫描转镜及至少一个投影透镜，其中：

激光光源模块，产生投影所需的红、绿、蓝三色激光光束；

偏振分光棱镜，设置在所述激光光源模块与所述色散分光和合束元件之间，用于控制光路中激光光束的透过与反射；

色散分光和合束元件，设置在所述偏振分光棱镜与所述微显示器件之间，对从所述偏振分光棱镜入射的红、绿、蓝三色激光光束进行分光，并使经所述微显示器件调制后反射回的三色激光光束重新合束，再由所述偏振分光棱镜反射或透射；

微显示器件，对从所述色散分光和合束元件分光后入射的三色激光光束分别调制后反射；

投影透镜，设置在所述偏振分光棱镜与所述扫描转镜之间，将经所述微显示器件调制并由所述偏振分光棱镜反射的三色激光光束投影到所述扫描转镜；

扫描转镜，将从所述投影透镜入射的激光光束扫描形成图像。

2.如权利要求1所述的新型彩色激光投影显示设备，其特征在于，所述激光光源模块产生的红、绿、蓝三色激光光束为偏振方向相同的线偏振光，具有大小相同且光强均匀分布的线形光斑，并且合成一束后出射。

3.如权利要求1所述的新型彩色激光投影显示设备，其特征在于，所述色散分光和合束元件为玻璃平板、色散棱镜或其它利用色散特性进行分光的光学元件。

4.如权利要求1所述的新型彩色激光投影显示设备，其特征在于，所述微显示器件为反射型的空间光调制器。

5.如权利要求4所述的新型彩色激光投影显示设备，其特征在于，所述空间光调制器为面阵型空间光调制器或独立的三列二维面阵型空间光调制器的组合。

6.如权利要求1所述的新型彩色激光投影显示设备，其特征在于，所述微显示器件使从所述色散分光和合束元件分光后入射的三色激光光束在调制后偏振方向发生改变。

7.如权利要求1所述的新型彩色激光投影显示设备，其特征在于，所述投影透镜使经所述微显示器件调制并由所述偏振分光棱镜反射的三色激光光束的发散角与所述扫描转镜的扫描投影角度相同。

8.如权利要求1所述的新型彩色激光投影显示设备，其特征在于，还包括一屏幕，所述扫描转镜扫描形成的图像投影在所述屏幕上。

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