CN101510044A - 一种基于光栅光调制器的微型投影显示系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光栅光调制器实现投影显示的微型投影系统，该系统在照明系统部分采用LED光源照明，并选用TIR透镜进行光线汇聚成圆斑照明，再通过梯形光棒进行光束整形成均匀方斑照明，系统中TIR透镜和光棒材料均采用PMMA，方便进行大规模批量生产。同时考虑到光栅光调制器的衍射和反射原理，在光棒末端与光栅光调制器之间设置一组焦距合适的聚光透镜组来充分利用光通量，实现物方远心照明系统以达到光束的传递与照明。成像系统部分采用4f滤波系统，由两组完全相同的透镜组组成，在满足系统的MTF截止频率条件下将光线像差及畸变控制在合理范围内。整个光学系统的总体长度、高度和宽度控制在一定范围内，实现了投影显示的微型化。

Description

一种基于光栅光调制器的微型投影显示系统

技术领域：

本发明涉及一种基于光栅光调制器实现投影显示的系统，该系统以大功率LED作为照明光源，采用TIR透镜、梯形光棒及聚光透镜组实现光束的收集与均匀化，再通过4f滤波成像系统实现信号处理与图像显示，是一种新型投影显示系统。

背景技术：

迄今为止投影显示市场主要为LCD和DMD(数字微镜)所占领，此外基于MEMS技术的迅速发展，基于GLV(光栅光阀)、TMA(薄膜微镜阵列)等器件的投影显示系统也正处于研究阶段。

LCD透射微投影主要采用单片式白光光源通过三色色彩空间合成的成像机制，由于受到偏光的限制，芯片功耗不高但光效率较其他芯片偏低，另外受到微加工工艺的限制，进一步缩小尺寸同时提高分分辨率困难较大。

DMD是利用反射微镜的偏转来实现对光路的调制，但其多层结构工艺导致了制作过程十分复杂，从而导致良品率较低，在微型投影显示领域技术尚不成熟，并且芯片组只能由德州仪器公司(TI)提供，技术受到专利保护。

GLV是一个线阵结构，要实现二维的图像显示，需要增加一个扫描装置，该装置不但增加系统的复杂程度，也增大了系统的体积，不利于系统的微型化。

TMA在光学原理上也是基于反射原理，但其三层结构也导致工艺较复杂，并且它是采用压电材料的电致伸缩特性来控制微镜的偏转，受到压电材料本身特性的影响，要实现二维微镜的快速偏转和精确定位比较困难，难以满足显示的要求。

光栅光调制器作为一种具有自主知识产权的MEMS显示器件克服了DMD和GLV的不足，在微投影显示上具有较大的潜力。并且迄今为止，尚未有将LED作为其照明光源进行微型投影显示系统设计的相关报道。

发明内容：

本发明提出了一种将大功率LED用作光栅光调制器的照明光源实现微型投影显示的系统。

一种基于光栅光调制器实现投影显示的微型投影系统，其包括大功率三基色LED、TIR透镜、X透镜、梯形光棒、聚光透镜组、光栅光调制器和4F成像系统；所述大功率三基色LED的蓝光LED、红光LED和绿光LED分别对应一个TIR透镜，并且这三个TIR透镜分别设置在X透镜的三个入射面上；在X透镜的出射面布置光棒，所述聚光透镜组和光栅光调制器依次布置在光棒的出射端，光棒出射端和聚光透镜组与光栅光调制器之间的位置关系满足物方远心照明条件，实现光栅面的均匀照明；所述4F成像系统布置在光栅光调制器之后，光栅光调制器和4F成像系统满足成像关系，从而可以在像面上实现图象显示。

该系统在照明系统部分采用LED光源照明，并选用TIR透镜进行光线汇聚成圆斑照明，再过一步通过梯形光棒进行光束整形成均匀方斑照明，同时减小光束的发散角，系统中TIR透镜和光棒材料均采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，方便使用注塑手段进行大规模批量生产。同时考虑到光栅光调制器的衍射和反射原理，在光棒末端与光栅光调制器之间设置一组五片式焦距为15.00mm的聚光透镜组来充分利用光通量，从而实现物方远心照明系统以达到光束的传递与照明。在成像系统部分，采用4f成像系统，由两组完全相同的透镜组组成，在满足系统的MTF截止频率条件下将光线像差及畸变控制在合理范围内。整个光学系统的总体长度、高度和宽度控制在一定范围内，实现了投影显示的微型化。

本发明提出将大功率LED作为光栅光调制器的照明光源，其主要起三种作用：一是降低光源成本，从而达到降低系统成本的目的；二是通过减小光源体积，可以减小系统的体积，利于系统的微型化；三是利用三基色LED较纯的谱线，无须采用分色合色系统，既可合成饱和度高的色彩，实现优质显示。

本发明根据光栅光调制器的衍射原理和尺寸提出采用TIR透镜(全内反射透镜，其是根据光源尺寸及照明面积求得TIR透镜尺寸，再经注塑加工成形)和光棒及聚光透镜组的照明系统主要起到三种作用：一是通过TIR透镜将LED光线进行汇聚，达到在保持较小尺寸的同时，也增加LED光能利用率的目的；二是通过光棒实现光束的整形，保证在出射端达到与光栅光调制器尺寸一致的均匀方斑照明，从而实现像面上的均匀性；三是通过确定光棒末端与光栅光调制器的距离，并且在两者之间使用聚光透镜组将光棒末端成像在光栅光调制器上，从而保证成像系统中频谱面上各级谱线得以分离，并且光栅光调制器被均匀照亮。

本发明提出在进行彩色显示过程中，采用在每单色光的入射面上均镀有将对应光谱带宽减小到规定值的带通光学薄膜镀的X棱镜，其主要起到两种作用：一是实现了三色合成的微型化，二是保证了通过减小光源带宽提高对比度的目的，从而实现了高对比度的投影显示。

在成像系统中采用4f成像系统，这是一种经典的滤波系统，在本系统中针对成像要求设计一套4片式F数为16，焦距为15.00mm的透镜组以达到4f成像系统要求。主要起到通过在频谱面上进行低通滤波达到信息处理的作用，从而保证高效的图像输出效果。

附图说明：

图1光栅光调制器的投影显示系统示意图。

其中1—TIR透镜，2—蓝光LED，3—红光LED，4—绿光LED，5—三面镀带通薄膜的X透镜，6—梯形光棒，7—聚光透镜组，8—光栅光调制器，9-频谱面，10—4f成像系统，11—屏幕。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体结构和工作方式进行详细说明：

参见图1，本微型投影系统将大功率三基色LED的蓝光LED2、红光LED3和绿光LED4分别对应一个TIR透镜1，并将这三个TIR透镜1分别设置在三面镀带通薄膜的X透镜5的三个入射面上。在X透镜5的出射面布置梯形光棒6，将一组五片式焦距为15.00mm的聚光透镜组7和一光栅光调制器8依次布置在梯形光棒6的出射端，再将由两组F数均为16，焦距均为15.00mm的透镜组组成的4F成像系统10布置在光栅光调制器8之后。其中梯形光棒6出射端和聚光透镜组7与光栅光调制器8之间的位置关系满足物方远心照明条件，梯形光棒6出射端与光栅光调制器8的距离须满足可使频谱面上各级次光谱可以区分的滤波条件规定范围，其范围由梯形光棒6的出射面尺寸与梯形光棒6的出射端距光栅光调制器8的距离之比决定(出射面尺寸/出射端到光栅光调制器的距离≤0.03)，实现光栅面的均匀照明。

本系统的工作方式：三个TIR透镜1包括三基色LED分别位于X棱镜的三个入射面，棱镜每个面上均镀有用以减小光谱带宽的带通薄膜，从三基色LED即蓝光LED2、红光LED3和绿光LED4射出的光束经TIR透镜1整形后均以较小的出射光射入X棱镜5，经X棱镜5后汇成一束带宽较小的彩色光束，在棱镜出射端光束经梯形光棒6整形后在出射端达到了光束的均匀化，并进一步减小发散角以便于光能量的收集。从梯形光棒6出射端射出的光束通过一组聚光透镜7组后均匀照亮光栅光调制器8，经光栅光调制器8调制后在后面的4f成像系统10中通过傅利叶变换在频谱面9上形成一定的频谱分布，在该频谱面9上设置合适的低通滤波器滤出所需级次的衍射光，再次通过一次逆傅利叶变换，在与光栅光调制器满足物像关系的屏幕11上得到对应的图象显示。

Claims (7)

1.一种基于光栅光调制器实现投影显示的微型投影系统，其特征在于，包括大功率三基色LED、TIR透镜、X透镜、光棒、聚光透镜组、光栅光调制器和4F成像系统；所述大功率三基色LED的蓝光LED、红光LED和绿光LED分别对应一个TIR透镜，并且这三个TIR透镜分别设置在X透镜的三个入射面上；在X透镜的出射面布置光棒，所述聚光透镜组和光栅光调制器依次布置在光棒的出射端，光棒出射端和聚光透镜组与光栅光调制器之间的位置关系满足物方远心照明条件，实现光栅面的均匀照明；所述4F成像系统布置在光栅光调制器之后，光栅光调制器和4F成像系统满足成像关系，从而可以在像面上实现图象显示。

2.根据权利要求1所述的微型投影系统，其特征在于，所述光棒出射端与光栅光调制器的距离须满足滤波条件的规定范围，由光棒出射面尺寸与光棒出射端距光栅光调制器的距离之比决定。

3.根据权利要求1或2所述的微型投影系统，其特征在于，所述光栅光调制器为表面镀铝的光栅平动式光调制器。

4.根据权利要求1或2所述的微型投影系统，其特征在于，所述光棒为一梯形光棒，小端靠X透镜一方，大端靠聚光透镜组一方。

5.根据权利要求1或2所述的微型投影系统，其特征在于，所述X棱镜在每单色光的入射面上均镀有将对应光谱带宽减小到规定值的带通光学薄膜。

6.根据权利要求1或2所述的微型投影系统，其特征在于，所述聚光透镜组采用五片式焦距为15.00mm的聚光透镜组。

7.根据权利要求1或2所述的微型投影系统，其特征在于，所述4F成像系统由两组完全相同的透镜组组成，每一透镜组由4片透镜组成，且透镜组的F数为16，焦距为1500mm。

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