CN101893765B - 偏振变换组件及单成像器微型投影引擎 - Google Patents

偏振变换组件及单成像器微型投影引擎 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种偏振变换组件及单成像器微型投影引擎，其中组件包括：光源、平面偏振分光器及反射型四分之一波长复合板。本发明能够利用准直光中处于第一偏振态的第一偏振光部分和处于第二偏振态的第二偏振光部分中的主要部分，从而提高了在由反射型偏振调制成像器进行调制及反射之后，穿过投影透镜系统到达投影屏幕的光亮度，因此能够应用于各种微型投影显示系统中，以极大地提升光效率。

Description

偏振变换组件及单成像器微型投影引擎
技术领域
本发明涉及一种微型显示投影系统，尤其涉及一种偏振变换组件及单成像器微型投影引擎。
背景技术
微型显示投影系统通常使用透射型或反射型微型显示成像器，如光阀或光阀阵列，将图像施加于照明光线上。反射型光阀相对于透射型光阀的优点在于：反射型光阀允许在现场将控制电路放置于反射表面之后，且可以应用集成电路技术，这是因为基板材料不受其不透明性的限制。
反射型硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon，简称：LCOS)成像器在调制入射光的同时旋转入射光的偏振方向。因此，偏振光可以由LCOS成像器反射且保持其偏振状态基板不变，或者使其偏振方向旋转一定的角度，以提供所需灰阶。因此，通常使用偏振光作的反射型LCOS成像器的入射光，并使用偏振分光器(Polarizing Beam-Splitter，简称：PBS)将入射光线分为两束具有垂直偏振的偏振光。
在各种便携式手持微型投影显示设备中，单成像器投影引擎使用一个LCOS调制成像器及一个PBS。这种光学投影引擎的缺陷在于：一种偏振态的照明光中只有一部分能够照射到反射型偏振调制成像器上，因此，在由反射型偏振调制成像器进行调制及反射之后，穿过投影透镜系统到达投影屏幕的光亮度受到了限制。
发明内容
本发明提供一种偏振变换组件及单成像器微型投影引擎，以提升光效率。
本发明一实施例提供一种偏振变换组件，其中包括：
光源，用于沿第一方向发出准直光；
平面偏振分光器，与所述第一方向之间的夹角α为45度，用于透射所述准直光中处于第一偏振态的第一偏振光部分，并沿第二方向反射所述准直光中处于第二偏振态的第二偏振光部分成为处于第二偏振态的被反射第二偏振光部分，所述第二偏振态垂直于所述第一偏振态的，所述第二方向垂直于所述第一方向；以及
反射型四分之一波长复合板，平行且面对所述平面偏振分光器，前向沿所述第一方向，用于沿所述第一方向反射所述被反射第二偏振光部分，并同时将所述被反射第二偏振光部分的偏振方向从第二偏振态旋转90度到第一偏振态，成为处于第一偏振态的被变换第二偏振光部分。
本发明另一实施例提供一种单成像器微型投影引擎，其中包括：
上述偏振变换组件；
反射型偏振调制成像器，包括规则平铺结构的反射调制成像像素，与所述偏振变换组件中的光源相对设置，面对所述偏振变换组件中的平面偏振分光器，且垂直于所述光源发出的准直光，用于接收来自于所述偏振变换组件的所处于第一偏振态的第一偏振光部分及处于第一偏振态的被变换第二偏振光部分，并提供处于第二偏振态的连续图像调制光；以及
投影透镜系统，与所述偏振变换组件中的反射型四分之一波长复合板平行设置于所述平面偏振分光器的两侧，用于使来自于所述偏振变换组件对所述连续图像调制光进行反射后生成的连续图像投影光穿过并投射于投影屏幕上。
本发明能够利用准直光中处于第一偏振态的第一偏振光部分和处于第二偏振态的第二偏振光部分中的主要部分，从而提高了在由反射型偏振调制成像器进行调制及反射之后，穿过投影透镜系统到达投影屏幕的光亮度，因此能够应用于各种微型投影显示系统中，以极大地提升光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例所述偏振变换组件的截面视图；
图2为本发明一实施例所述包含偏振变换组件的单成像器微型投影引擎的截面视图；
图3为本发明另一实施例所述包含一装置的单成像器微型投影引擎的截面视图；
图4及图4a为本发明另一实施例所述包含成像偏振分光器的单成像器微型投影引擎的截面视图；
图5为本发明一实施例所述反射型偏振调制成像器的截面视图；
图6为本发明另一实施例所述偏振变换组件的截面视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一实施例所述偏振变换组件299的截面视图。如图所示，该偏振变换组件299包括：光源400、平面偏振分光器200及与该平面偏振分光器200平行的反射型四分之一波长复合板150。上述光源400沿第一方向51向平面偏振分光器200发出准直光10，该准直光10中包含处于第一偏振态1的第一偏振光部分11及处于第二偏振态2的第二偏振光部分12，其中，第二偏振态2垂直于第一偏振态1。第一方向51与准直光10之间的夹角α接近45度，该平面偏振分光器200用于透射所述准直光中处于第一偏振态1的第一偏振光部分11并沿第二方向52反射所述准直光中处于第二偏振态2的第二偏振光部分12成为被反射第二偏振光部分22，其中，第二偏振态2垂直于第一偏振态1，第二方向52垂直于第一方向51。
处于第二偏振态2的被反射第二偏振光部分22被反射型四分之一波长复合板150沿第二方向52接收，该反射型四分之一波长复合板150平行且面对平面偏振分光器200，前向沿所述第一方向51。具体可以包括第一透射四分之一波长板151，用于接收处于第二偏振态2的被反射第二偏振光部分22，以及镜板152。最终被镜板152反射后，最初处于第二偏振态2的被反射第二偏振光部分22穿过第一透射四分之一波长板151两次，使其偏振方向旋转90度，成为处于第一偏振态1的被变换第二偏振光部分31，该被变换第二偏振光部分31被反射回第一方向51。
上述平面偏振分光器200可以为多层偏振分光膜或线栅偏振板。上述反射型四分之一波长复合板150可以通过将四分之一波长板151及镜板152平行粘合为堆叠复合结构而构成。
图2为本发明一实施例所述单成像器微型投影引擎500的截面视图，该单成像器微型投影引擎500中包含偏振变换组件299、反射型偏振调制成像器100及投影透镜系统300
其中，反射型偏振调制成像器100包括规则平铺结构的反射调制成像像素105，与所述偏振变换组件299中的光源400相对设置，面对所述偏振变换组件299中的平面偏振分光器200，且垂直于所述光源400发出的准直光10。
如图所示，处于第一偏振态1的第一偏振光部分11透射穿过平面偏振分光器200后，被反射型偏振调制成像器100的第一半面区域110接收到。同时，处于第一偏振态1的被变换第二偏振光部分31也透射穿过平面偏振分光器200并照射到反射型偏振调制成像器100的第二半面区域120上。
反射型偏振调制成像器100中均接收到处于第一偏振态1的光线的第一半面区域110和第二半面区域120较佳地在边缘连接，以便通过其上的反射调制成像像素105联合提供连续图像调制光42，处于第二偏振态2的连续图像调制光42被反射到平面偏振分光器200上。然后，连续图像调制光42再次由平面偏振分光器200进行反射，成为仍然处于第二偏振态2的连续图像投影光62。
投影透镜系统300与偏振变换组件299中的反射型四分之一波长复合板150平行设置于平面偏振分光器200的两侧，使所述连续图像投影光穿过投影透镜系统300后最终到达位于单成像器微型投影引擎500之外的投影屏幕上。
在本发明实施例中，可以使用LCOS成像器作为反射型偏振调制成像器100，包括规则平铺结构的多个调制成像像素105。
上述反射型四分之一波长复合板150可以包含平行设置的第一透射四分之一波长板151及镜板152，且从前到后面对平面偏振分光器200。这两个组件板151和152可选地可以为粘合而成的堆叠复合结构。
本实施例所述单成像器微型投影引擎500通过采用本实施例所述的偏振变换组件299，能够利用准直光10中处于第一偏振态1的第一偏振光部分11和处于第二偏振态2的第二偏振光部分12中的主要部分，从而提高了在由反射型偏振调制成像器100进行调制及反射之后，穿过投影透镜系统300到达投影屏幕的光亮度，因此能够应用于各种微型投影显示系统中，以极大地提升光效率。
图3为本发明另一实施例所述单成像器微型投影引擎500的截面视图，其中包括一装置39，用于平衡反射型偏振调制成像器100中第一半面区域110及第二半面区域120所接收到的偏振光的差异。尽管本实施例所述结构提高了准直光10中具有相互垂直偏振态的偏振光成分的利用率，但是，由反射型偏振调制成像器100中的第一半面区域110和第二半面区域120接收的光的亮度或强度仍然可能存在一定差异。尤其是处于第二偏振态2的第二偏振光部分12在到达反射型偏振调制成像器100之前，比处于第一偏振态1的第一偏振光部分11经过更长的光路和更多的光组器件，因此，设置该装置39，用于调整和平衡由第一半面区域110接收的第一偏振光部分11及由第二半面区域120接收的被变换第二偏振光部分31之间的总体亮度。该装置39可以用于但不限于：1)以电气方式指示反射型偏振调制成像器100进行测量及校正，以调整两个半面区域之间的光输出；2)对第一半面区域110施加光补偿，例如对第一半面区域110进行削光；3)在对反射型偏振调制成像器100中的第一半面区域110施加上述光补偿之前，主动减小准直光10中处于第一偏振态1的第一偏振光部分11的强度。
图4为本发明另一实施例所述单成像器微型投影引擎500的截面视图，该单成像器微型投影引擎500包含偏振变换组件299，该偏振变换组件299具有反射型偏振调制成像器100、投影透镜系统300及成像偏振分光器250。在本实施例中，偏振变换组件299将包括处于第一偏振态1的第一偏振光部分11及被变换第二偏振光部分31的偏振准直光投射到成像偏振分光器250。成像偏振分光器250将第一偏振光部分11及被变换第二偏振光部分31透射传输给反射型偏振调制成像器100，并将来自于所述反射型偏振调制成像器100的处于第二偏振态2的连续图像调制光42反射到所述投影透镜系统300。
与平面偏振分光器200类似，成像偏振分光器250可以为多层偏振分光膜或线栅偏振板。
尽管在图中将成像偏振分光器250画成与偏振变换组件299中的平面偏振分光器200相平行，但如图4a所示，该成像偏振分光器250也可以在另一种可选结构中垂直旋转90度，并相应地将反射型偏振调制成像器100置于投影透镜系统300相对于成像偏振分光器250的对面。
除此之外，如图4a所示，在本发明另一实施例中，偏振变换组件299用于提供上述类似的偏振及偏振变换功能，而其中使用更短的平面偏振分光器200，使得所有被变换第二偏振光部分31中的一部分可以不经过平面偏振分光器200直接从偏振变换组件299到达成像偏振分光器250。
图5为本发明另一实施例所述反射型偏振调制成像器100的截面视图。在图2、图3、图4及图4a所示的实施例中，可以使用LCOS成像器作为反射型偏振调制成像器100，以提供所需的空间光调制及带有90度偏振方向旋转的反射。可选地，在图5所示实施例中，包括第二透射四分之一波长板130及反射强度调制成像器面板140的反射型偏振调制成像器100也可以满足图4所示需求。可选地，该反射强度调制成像器面板140可以包括规则平铺结构的微机电衍射像素阵列或光栅亮度阀(Grating Light Valve，简称：GLV)阵列。
图6为本发明另一实施例所述偏振变换组件299的截面视图，其中改进了机械光学结构，以便组装偏振变换组件299中的各构成组件。具体地，首先，平面偏振分光器200可以粘合夹设于透明三角棱镜210的第一侧面211与透明四侧多面棱镜220的第一侧面221之间；然后，将反射型四分之一波长复合板150粘合于透明四侧多面棱镜220的第二侧面223上，且与透明四侧多面棱镜220的第一侧面221平行相对。可选地，该透明三角棱镜210和透明四侧多面棱镜220可以由以下任一种或多种材料的组成制成：玻璃、硅胶及包括但不限于聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methylmethacrylate)，简称：PMMA)固体透明有机材料。
偏振变换组件299使用的光源400可以由以下任一个或多个的组合构成：弧光灯、钨灯、卤灯、电磁镇流器、发光二极管和激光。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种单成像器微型投影引擎，其特征在于，包括：
偏振变换组件，包括光源，用于沿第一方向发出准直光；平面偏振分光器，与所述第一方向之间的夹角α为45度，用于透射所述准直光中处于第一偏振态的第一偏振光部分，并沿第二方向反射所述准直光中处于第二偏振态的第二偏振光部分成为处于第二偏振态的被反射第二偏振光部分，所述第二偏振态垂直于所述第一偏振态，所述第二方向垂直于所述第一方向；以及反射型四分之一波长复合板，平行且面对所述平面偏振分光器，前向沿所述第一方向，用于沿所述第一方向反射所述被反射第二偏振光部分，并同时将所述被反射第二偏振光部分的偏振方向从第二偏振态旋转90度到第一偏振态，成为处于第一偏振态的被变换第二偏振光部分；
反射型偏振调制成像器，包括规则平铺结构的反射调制成像像素，与所述偏振变换组件中的光源相对设置，面对所述偏振变换组件中的平面偏振分光器，且垂直于所述光源发出的准直光，用于接收来自于所述偏振变换组件的所处于第一偏振态的第一偏振光部分及处于第一偏振态的被变换第二偏振光部分，并提供处于第二偏振态的连续图像调制光；以及
投影透镜系统，与所述偏振变换组件中的反射型四分之一波长复合板平行设置于所述平面偏振分光器的两侧，用于使来自于所述偏振变换组件对所述连续图像调制光进行反射后生成的连续图像投影光穿过并投射于投影屏幕上；
一装置用于对所述反射型偏振调制成像器接收第一偏振光部分的第一半面区域施加光补偿，以调整和平衡由所述反射型偏振调制成像器接收到的所述第一偏振光部分及所述被变换第二偏振光部分的差异。
2.根据权利要求1所述的单成像器微型投影引擎，其特征在于，进一步包括：
成像偏振分光器，用于接收所述准直光中的第一偏振光部分及来自于 所述平面偏振分光器的被变换第二偏振光部分，将所述第一偏振光部分及所述被变换第二偏振光部分透射传输给所述反射型偏振调制成像器，并将来自于所述反射型偏振调制成像器的处于第二偏振态的连续图像调制光反射到所述投影透镜系统。
3.根据权利要求2所述的单成像器微型投影引擎，其特征在于，所述反射型偏振调制成像器包括：第二透射四分之一波长板及反射强度调制成像器面板。
4.根据权利要求3所述的单成像器微型投影引擎，其特征在于，所述反射强度调制成像器面板包括：规则平铺结构的微机电衍射像素阵列或光栅亮度阀阵列。
5.根据权利要求2所述的单成像器微型投影引擎，其特征在于，所述反射型偏振调制成像器为硅基液晶成像器。
6.根据权利要求1所述的单成像器微型投影引擎，其特征在于，所述装置用于以电气方式指示所述反射型偏振调制成像器进行测量及校正，以调整接收第一偏振光部分的所述第一半面区域及接收被变换第二偏振光部分的第二半面区域之间的光输出。
7.根据权利要求1所述的单成像器微型投影引擎，其特征在于，所述装置还用于在对所述第一半面区域施加光补偿之前，减小所述准直光中处于第一偏振态的第一偏振光部分的强度。
8.根据权利要求1所述的单成像器微型投影引擎，其特征在于，所述平面偏振分光器粘合夹设于透明三角棱镜的第一侧面与透明四侧多面棱镜的第一侧面之间。
9.根据权利要求8所述的单成像器微型投影引擎，其特征在于，所述反射型四分之一波长复合板粘合于透明四侧多面棱镜的第二侧面上，且与所述透明四侧多面棱镜的第一侧面平行相对。
10.根据权利要求8所述的单成像器微型投影引擎，其特征在于，所 述透明三角棱镜和所述透明四侧多面棱镜由以下任一种或多种材料的组成制成：玻璃、硅胶及包括聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯的固体透明有机材料。
11.根据权利要求1所述的单成像器微型投影引擎，其特征在于，所述光源由以下任一个或多个的组合构成：弧光灯、钨灯、卤灯、发光二极管和激光。
12.根据权利要求1所述的单成像器微型投影引擎，其特征在于，所述平面偏振分光器为多层偏振分光膜或线栅偏振板。 
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