CN101930126B - 集成单面板投影引擎 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集成单面板投影引擎(500)，其中包括：准直光源(400)、主偏振分束器(200)、辅助偏振分束器(210)、四分之一波板(150)、镜板(160)、硅基液晶成像器(100)及投影透镜系统(300)。本发明所述集成单面板投影引擎(500)通过单个LCOS成像器并应用一对偏振分束器及平行设置的四分之一波板和平面镜板，将准直照明光束(10)中处于第二偏振态(2)的源偏振二态光束(12)进行了回收成为第一偏振态(1)的第三偏振一态光束(31)，与所述准直照明光束(10)中处于第一偏振态(1)的源偏振一态光束(11)共同用于投影显示，从而改进了LCOS微型投影显示中的光效率。
Description
技术领域
本发明涉及基于液晶的微型显示投影系统，尤其涉及一种集成单面板投影引擎。
背景技术
微型显示投影系统通常应用透射型或反射型微型显示成像器作为光阀或光阀阵列，用于在照明光束上施加图像。反射型光阀相比于透射型光阀的一个最主要的优点是反射型光阀允许在现场将控制电路放置于反射表面之后，并且由于其基板材料并不受限于其不透明性，因此可以使用更高级的集成电路技术。
反射型硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon，简称：LCOS)成像器当入射光的偏振时进行旋转。因此，偏振光会被LCOS成像器反射，或者保持其偏振态基本不变，或者施加一定的偏振旋转角度以提供期望的灰度。据此，偏振光束通常被用作反射型LCOS成像器的输入光束，而偏振分束器(Polarization Beam Splitter，简称：PBS)通常被用于将入射的光束拆分成两个具有垂直偏振态的偏振光束。
在广泛应用的各种便携及手持微型投影显示设备中，一种单成像器引擎使用一个LCOS调制成像器和一个PBS。这种光投影引擎最大的缺点在于处于一种偏振态下的照明光中只有有限的部分被用于照射LCOS成像器，因此，在由LCOS成像器进行调制及反射之后，通过投影透镜系统投身到投影屏上的总的照明光受到了限制，导致光效率较低。
发明内容
本发明提供一种集成单面板投影引擎，用以提高投影显示的光效率。
本发明提供一种集成单面板投影引擎500，其中包括：
准直光源400，用于沿第一方向91发出准直照明光束10，该准直照明光束10包括处于第一偏振态1的源偏振一态光束11和处于第二偏振态2的源偏振二态光束12，其中，第二偏振态2垂直于第一偏振态1；
主偏振分束器200，与所述第一方向91之间呈45度的夹角α，用于透射所述源偏振一态光束11，并将所述源偏振二态光束12反射成为沿第二方向92的第二偏振二态光束22，其中，第二方向92垂直于第一方向91；并用于将来自于硅基液晶成像器100的第一调制偏振二态光束42a及第二调制偏振二态光束42b反射成为第一投影偏振二态光束52a和第二投影偏振二态光束52b；
辅助偏振分束器210，与所述主偏振分束器200之间呈90度的夹角β，用于透射所述第二偏振二态光束22，并将来自于镜板160的第二偏振一态光束21反射成为第三偏振一态光束31；
四分之一波板150，与所述第一方向91平行，用于将所述第二偏振二态光束22从第二偏振态2转换为第一偏振态1成为处于第一偏振态1的第二偏振一态光束21；
镜板160，与所述四分之一波板150平行，用于将所述第二偏振一态光束21反射回所述辅助偏振分束器210；
硅基液晶成像器100，垂直于所述第一方向91，与所述准直光源400分别设置于所述主偏振分束器200的两侧，该硅基液晶成像器100的第一半面区110用于垂直接收并调制透射穿过所述主偏振分束器200的所述源偏振一态光束11成为处于第二偏振态2的第一调制偏振二态光束42a，该硅基液晶成像器100的第二半面区120用于垂直接收并调制所述第三偏振一态光束31成为处于第二偏振态2的第二调制偏振二态光束42b；
投影透镜系统300，平行于所述第一方向91，与所述四分之一波板150和镜板160分别设置于所述主偏振分束器200和所述辅助偏振分束器210的两侧，用于垂直接收并投射所述第一投影偏振二态光束52a和第二投影偏振二态光束52b到外部的投影屏上。
本发明所述集成单面板投影引擎500通过单个LCOS成像器100并应用一对偏振分束器及平行设置的四分之一波板150和平面镜板160，将准直照明光束10中处于第二偏振态2的源偏振二态光束12进行了回收成为第一偏振态1的第三偏振一态光束31，与所述准直照明光束10中处于第一偏振态1的源偏振一态光束11共同用于投影显示，从而改进了LCOS微型投影显示中的光效率。
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集成单面板投影引擎的截面视图；
图2为本发明另一实施例所述集成单面板投影引擎的截面视图。
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集成单面板投影引擎500的截面视图。在本实施例中，单面板投影引擎500包括：准直光源400、主偏振分束器200、辅助偏振分束器210、反射型四分之一波板150、镜板160、LCOS成像器100及投影透镜系统300。
如图1所示，所述准直光源400沿第一方向91向主偏振分束器200发出准直照明光束10。该准直照明光束10包括处于第一偏振态1的源偏振一态光束11和处于第二偏振态2的源偏振二态光束12，其中，第二偏振态2垂直于第一偏振态1。具体地，所述准直光源400可以由以下任意光源或组合构成：弧光灯、钨灯、卤灯、磁镇流器、发光二极管及激光器。
所述主偏振分束器200与所述第一方向91之间呈45度的夹角α，能够透射处于第一偏振态2的光并反射处于第二偏振态的光。具体体，该主偏振分束器200透射处于第一偏振态1的源偏振一态光束11并反射处于第二偏振态2的源偏振二态光束12成为沿第二方向92的第二偏振二态光束22，其中，第二方向92垂直于第一方向91。
所述硅基液晶成像器100垂直于所述第一方向91，与所述准直光源400分别设置于所述主偏振分束器200的两侧，该LCOS成像器100的第一半面区110垂直接收透射穿过主偏振分束器200的处于第一偏振态1的源偏振一态光束11。
所述辅助偏振分束器210与所述主偏振分束器200之间的夹角β大致接近90度，与主偏振分束器200呈垂直反向结构，能够透射处于第二偏振态2的光并反射处于第一偏振态的光。具体地，所述主偏振分束器200及辅助偏振分束器210既可以为多层偏振分束器膜，或者可以为线栅偏振板。该辅助偏振分束器210透射处于第二偏振态2的第二偏振二态光束22使其到达反射型四分之一波板150。
反射型四分之一波板150与镜板160充分平行设置，垂直接收透射穿过所述助偏振分束器210的第二偏振二态光束22，并将第二偏振二态光束22从第二偏振态2转换为第一偏振态1成为处于第一偏振态1的第二偏振一态光束21，并由镜板160将该第二偏振一态光束21反射回辅助偏振分束器210。
然后，所述辅助偏振分束器210将处于第一偏振态1的第二偏振一态光束21反射成为第三偏振一态光束31并其其到达主偏振分束器200，其到达区域与源偏振一态光束11到达主偏振分束器200的区域不同。
所述第三偏振一态光束31透射穿过所述主偏振分束器200到达LCOS成像器100，所述LCOS成像器100同时在第一半面区110上垂直接收到透射穿过所述主偏振分束器200的处于第一偏振态1的所述源偏振一态光束11，并在第二半面区120上垂直接收透射穿过所述主偏振分束器200的处于第一偏振态1的所述第三偏振一态光束31，其中的第三偏振一态光束31对应于从第二偏振态2的源偏振二态光束12回收的处于第一偏振态的照明光。
如图1所示，所述LCOS成像器100具体可以由多个采用规则平铺平面结构的调制成像像素105构成。LCOS成像器100的两个附属图像区域，即第一半面区110和第二半面区120联合接收并进行90度偏振旋转，从而将微型图像调制于处于第一偏振态1的源偏振一态光束11和处于第一偏振态1的第三偏振一态光束31上成为处于第二偏振态2的第一调制偏振二态光束42a及第二调制偏振二态光束42b，并将调制有微型图像的该第一调制偏振二态光束42a及第二调制偏振二态光束42b分别投影到主偏振分束器200上。然后，主偏振分束器200再次将所述第一调制偏振二态光束42a及所述第二调制偏振二态光束42b分别反射成为第一投影偏振二态光束52a和第二投影偏振二态光束52b并到达投影透镜系统300。
所述投影透镜系统300平行于所述第一方向91并与所述四分之一波板150和镜板160分别设置于所述主偏振分束器200和所述辅助偏振分束器210的两侧。最终所述投影透镜系统300垂直接收并投射所述第一投影偏振二态光束52a和第二投影偏振二态光束52b到位于集成单面板投影引擎500以外的投影屏上，从而实现了投影显示。
本实施例所述集成单面板投影引擎通过单个LCOS成像器100并应用一对偏振分束器及平行设置的四分之一波板150和平面镜板160，将准直照明光束10中处于第二偏振态2的源偏振二态光束12进行了回收成为第一偏振态1的第三偏振一态光束31，与所述准直照明光束10中处于第一偏振态1的源偏振一态光束11共同用于投影显示，从而改进了LCOS微型投影显示中的光效率。
另外，如图1所示，从源偏振二态光束12开始，首先被主偏振分束器200反射，透射穿过辅助偏振分束器210及反射型四分之一波板150，然后被镜板160反射并再次透射穿过四分之一波板150，最后被辅助偏振分束器210反射并透射穿过主偏振分束器200，直到形成第三偏振一态光束31被引导到LCOS成像器100的第二半面区120上，因此，与源偏振一态光束11相比，第三偏振一态光束31的形成过程经历了更长的光路。因此，第三偏振一态光束31照射到第二半面区120上的照明光不如照射到第一半面区110上的照明光亮。为了平衡这种光强度的差异，在实施例中还可以进一步设置补偿透明板240，设置于所述主偏振分束器200与所述硅基液晶成像器100之间，与所述第一半面区110的尺寸相匹配且对准，用于减小所述源偏振一态光束11，使所述源偏振一态光束11到达所述第一半面区110的光强度等于所述第三偏振一态光束31到达所述第二半面区120的光强度。除此之外也可以使用其他能够调整LCOS成像器100上两个区域上的照明光强度差异的装置，例如，通过电控制信号和指令调整LCOS成像器100的偏振调制过程，从而实现对所述差异的电性纠正。
除此之外，如图1所示，可以进一步设置不透光的照明光挡板250，设置于所述辅助偏振分束器210与所述准直光源400之间，其能够与辅助偏振分束器210足够对准，从而阻挡直接来自于所述准直光源400的准直照明光束10到达所述辅助偏振分束器210。
进一步地，为了去除由不需要的光效应与第一投影偏振二态光束52a和第二投影偏振二态光束52b混合而产生的第一偏振态1的光噪声52c，在主偏振分束器200与外部的投影屏之间可以设置偏振滤光片260，以阻挡处于第一偏振态1的残留的光噪声52c通过，而允许由处于第二偏振态2的第一调制偏振二态光束42a和第二调制偏振二态光束42b承载的图像信号通过，并最终到达外部的投影屏。如图1所示，这种偏振滤光片260既可以设置于主偏振分束器200与投影透镜系统300之间，或者也可以将所述投影透镜系统300设置于所述偏振滤光片260与具有辅助偏振分束器210的所述主偏振分束器200之间。
图2为本发明另一实施例所述集成单面板投影引擎500的截面视图。如图所示，所述主偏振分束器200被夹设于第一棱镜221、第二棱镜222及第三棱镜223之间，而所述辅助偏振分束器210也被夹设于第二棱镜222及第三棱镜223之间，从而形成了具有偏振转换功能的方形核心集成偏振光束分光器。所述第一棱镜221、第二棱镜222及第三棱镜223由以下任意材料或组合制成：玻璃、硅胶和固态透明有机材料，其中，固态透明有机材料例如可以为聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，简称：PMMA)等。
在此基础上，可以进一步将LCOS成像器100粘附于第一棱镜221上，并将四分之一波板150与镜板160构成的堆叠复合结构粘附于第三棱镜223，从而改进了集成单面板投影引擎500的机械结构及光学架构，便于简化装配。
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 (9)
1.一种集成单面板投影引擎(500)，其特征在于包括：
准直光源(400)，用于沿第一方向(91)发出准直照明光束(10)，该准直照明光束(10)包括处于第一偏振态(1)的源偏振一态光束(11)和处于第二偏振态(2)的源偏振二态光束(12)，其中，第二偏振态(2)垂直于第一偏振态(1)；
主偏振分束器(200)，与所述第一方向(91)之间呈45度的夹角α，用于透射所述源偏振一态光束(11)，并将所述源偏振二态光束(12)反射成为沿第二方向(92)的第二偏振二态光束(22)，其中，第二方向(92)垂直于第一方向(91)；并用于将来自于硅基液晶成像器(100)的第一调制偏振二态光束(42a)及第二调制偏振二态光束(42b)反射成为第一投影偏振二态光束(52a)和第二投影偏振二态光束(52b)；
辅助偏振分束器(210)，与所述主偏振分束器(200)之间呈90度的夹角β，用于透射所述第二偏振二态光束(22)，并将来自于镜板(160)的第二偏振一态光束(21)反射成为第三偏振一态光束(31)；
四分之一波板(150)，与所述第一方向(91)平行，用于将所述第二偏振二态光束(22)从第二偏振态(2)转换为第一偏振态(1)成为处于第一偏振态(1)的第二偏振一态光束(21)；
镜板(160)，与所述四分之一波板(150)平行，用于将所述第二偏振一态光束(21)反射回所述辅助偏振分束器(210)；
硅基液晶成像器(100)，垂直于所述第一方向(91)，与所述准直光源(400)分别设置于所述主偏振分束器(200)的两侧，该硅基液晶成像器(100)的第一半面区(110)用于垂直接收并调制透射穿过所述主偏振分束器(200)的所述源偏振一态光束(11)成为处于第二偏振态(2)的第一调制偏振二态光束(42a)，该硅基液晶成像器(100)的第二半面区(120)用于垂直接收并调制所述第三偏振一态光束(31)成为处于第二偏振态(2)的第二调制偏振二态光束(42b)；
投影透镜系统(300)，平行于所述第一方向(91)，与所述四分之一波板(150)和镜板(160)分别设置于所述主偏振分束器(200)和所述辅助偏振分束器(210)的两侧，用于垂直接收并投射所述第一投影偏振二态光束(52a)和第二投影偏振二态光束(52b)到外部的投影屏上。
2.根据权利要求1所述的集成单面板投影引擎(500)，其特征在于进一步包括：补偿透明板(240)，设置于所述主偏振分束器(200)与所述硅基液晶成像器(100)之间，与所述第一半面区(110)的尺寸相匹配且对准，用于减小所述源偏振一态光束(11)，使所述源偏振一态光束(11)到达所述第一半面区(110)的光强度等于所述第三偏振一态光束(31)到达所述第二半面区(120)的光强度。
3.根据权利要求1所述的集成单面板投影引擎(500)，其特征在于进一步包括：照明光挡板(250)，设置于所述辅助偏振分束器(210)与所述准直光源(400)之间，用于阻挡直接来自于所述准直光源(400)的准直照明光束(10)到达所述辅助偏振分束器(210)。
4.根据权利要求1所述的集成单面板投影引擎(500)，其特征在于所述主偏振分束器(200)或所述辅助偏振分束器(210)为多层偏振分束器膜或线栅偏振板。
5.根据权利要求1所述的集成单面板投影引擎(500)，其特征在于进一步包括：偏振滤光片(260)，设置于主偏振分束器(200)与所述投影屏之间，用于透射处于第二偏振态(2)的第一投影偏振二态光束(52a)和第二投影偏振二态光束(52b)但阻挡处于第一偏振态(1)的光噪声(53b)。
6.根据权利要求1所述的集成单面板投影引擎(500)，其特征在于所述主偏振分束器(200)夹设于第一棱镜(221)、第二棱镜(222)和第三棱镜(223)之间，所述辅助偏振分束器(210)夹设于所述第二棱镜22和第三棱镜(223)之间。
7.根据权利要求6所述的集成单面板投影引擎(500)，其特征在于所述硅基液晶成像器(100)粘附于所述第一棱镜(221)上。
8.根据权利要求6所述的集成单面板投影引擎(500)，其特征在于所述四分之一波板(150)与镜板(160)构成的堆叠复合结构粘附于所述第三棱镜(223)上。
9.根据权利要求6～8中任一所述的集成单面板投影引擎(500)，其特征在于所述第一棱镜(221)、第二棱镜(222)及第三棱镜(223)由以下任意材料或组合制成：玻璃、硅胶和固态透明有机材料，其中，所述固态透明有机材料为聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
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