CN101943843B - 集成微型显示投影及成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成微型显示投影及成像系统(900),其中包括:可变焦透镜系统(100)、平面偏振分光器(200)、反射型偏振调制成像器(300)、成像传感器(400)及发光模块(500);其中,从所述反射型偏振调制成像器(300)穿过平面偏振分光器(200)到达可变焦透镜系统(100)测量出的投影过程(380)的光通过距离等于从成像传感器(400)穿过平面偏振分光器(200)到达可变焦透镜系统(100)测量出的成像过程(480)的光通过距离。

Description

集成微型显示投影及成像系统
技术领域
本发明涉及集成光学系统,包含单面板微型显示成像器及成像传感器,既能够进行投影显示又便于图像传感。
背景技术
随着对蜂窝电话及其他手持设备上的便携式数字显示器需求的增长,催生了微型或微微型投影仪市场的出现及扩张,这种投影仪采用简单但却是一种在紧缩结构中基于单面板微型显示成像器(如:数字光处理(Digital LightProcession,简称:DLP)和硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon,简称:LCOS))以及缩微光源(如:发光二极管(Light Emitting Diode,简称:LED)及激光器)的反射型投影光学引擎。进一步也激起了将缩微型照相机集成到这种便携式显示系统中的兴趣,不仅仅为缩小和/或简化手持式电子系统,也为了协作及扩展投影显示与视频成像的集成能力。
但是,将图像及视频传感器件与微型或微微型投影光学引擎设置在一起的方式在功能及成本方向考虑是难以直接实现的。尤其是在技术层面,对于系统设计及实施都有如下挑战:1)用于投影的高强度光与用于成像的低强度光;2)投影和成像均要穿过同样的光学引擎和透镜系统形成的光路;3)在投影过程和成像过程之间或他们的使能集成电路之间的光电干扰或串扰,等等。在许多参考文献中的现有技术都没能阐述上述任一种挑战的解决办法。例如,在一种单DLP面板微型显示投影系统中,使用全内反射(Total Internal Reflection,简称:TIR)来管理光路,以实现由准直光源照射DLP成像器并且同时将来自于DLP成像器的投影图像引导到并穿过投影透镜。由于从外部物体穿过投影镜片的成像光大部分都穿过TIR而不是被反射到成像传感器,因此,仅仅简单地在TIR的另一侧与DLP成像器相对放置成像传感器并不能满足从外部物体穿过可调焦的投影镜片及TIR到达成像传感器进行成像的光路管理需求。现有的LCOS微型显示后投影显示系统包括用于调整投影图像的图像传感器要求进行光学设计并集成两组相反的子系统,尤其在抗光电干扰和串扰的效果方面,其也没能解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种集成微型显示投影及成像系统,能够同时实现投影和成像,从而有效解决上述技术问题。
本发明一实施例提供一种集成微型显示投影及成像系统,其中包括:
可变焦透镜系统,具有一主轴;
平面偏振分光器,面对所述可变焦透镜系统,与所述主轴呈45度的夹角;
反射型偏振调制成像器,设置于所述平面偏振分光器的第一侧,与所述平面偏振分光器呈45度的反射角;
成像传感器,设置于所述平面偏振分光器的第二侧,与所述平面偏振分光器呈45度的成像角;
发光模块,用于发出与所述平面偏振分光器呈45度的入射角的准直光;
其中,从所述反射型偏振调制成像器穿过平面偏振分光器到达可变焦透镜系统测量出的投影过程的光通过距离等于从成像传感器穿过平面偏振分光器到达可变焦透镜系统测量出的成像过程的光通过距离。
本发明所述集成微型显示投影及成像系统能够同时实现投影和成像,可以广泛应用于各种微型显示投影系统尤其是单成像器微型显示投影系统中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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性的前提下,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微型显示投影及成像系统的截面图;
图2为本发明另一实施例所述集成微型显示投影及成像系统的截面图;
图3为本发明又一实施例所述集成微型显示投影及成像系统的截面图;
图4为本发明再一实施例所述集成微型显示投影及成像系统的截面图;
图5a为本发明上述实施例所述包含后置偏振器的成像传感器一种结构的截面图;
图5b为本发明上述实施例所述包含后置偏振器的成像传感器另一种结构的截面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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微型显示投影及成像系统900的截面图。如图所示,该集成微型显示投影及成像系统900包括:1)具有一主轴110的可变焦透镜系统100;2)平面偏振分光器200,面对所述可变焦透镜系统100,与所述主轴110呈45度的夹角;3)反射型偏振调制成像器300,设置于所述平面偏振分光器200的第一侧,与所述平面偏振分光器200呈45度的反射角;4)成像传感器400,设置于所述平面偏振分光器200的第二侧,与所述平面偏振分光器200呈45度的成像角;以及5)发光模块500,用于发出与所述平面偏振分光器200呈45度的入射角的准直光510。
所述发光模块500沿第一方向51朝平面偏振分光器200发出准直源光510,该第一方向51相对于平面偏振分光器200呈45度的入射角,该准直源光510中包括:处于第一偏振态1的第一偏振源光10及处于第二偏振态2的第二偏振源光20。所述第一偏振源光10经平面偏振分光器200反射后成为处于第一偏振态1的成像器入射光11,以第二方向52反射到反射型偏振调制成像器300。通过在调制的同时偏振旋转90度,产生处于第二偏振态2的偏振调制图像光束12,并由反射型偏振调制成像器300发送到平面偏振分光器200,其中一部分光束穿过平面偏振分光器200成为偏振调制投影光束13。通过可变焦透镜系统100后,处于第二偏振态2的偏振调制投影光束13被投影到外部物体910(如投影屏幕或成像物体)上,形成投影图像365,该投影图像365复制了在反射型偏振调制成像器300上产生的原始信号图像360。
该系统900中进一步包括后置偏振器640,设置于所述平面偏振分光器200与所述成像传感器400之间,该后置偏振器640的偏振方向垂直于所述平面偏振分光器200。第二偏振态2的第二偏振源光20通过平面偏振分光器200成为第二偏振光21,但绝大部分在到达成像传感器400之前都被后置偏振器640阻挡或反射回平面偏振分光器200,从而将投影显示及成像之间的光学干扰和串扰减小到最低,尤其是发光模块500与成像传感器400也达到同样的降低干扰的效果。
外部物体910的外部图像460产生处于两个偏振态的图像光束,即处于第一偏振态1的第一偏振图像光23及处于第二偏振态2的第二偏振图像光33。然后,该第一偏振图像光23被平面偏振分光器200反射成为处于第一偏振态1的成像入射偏振光22,传送到后置偏振器640,处于第二偏振态2的第二偏振图像光33中的大部分穿过平面偏振分光器200到达反射型偏振调制成像器300。处于第一偏振态1的成像入射偏振光22中的大部分穿过后置偏振器640照射到成像传感器400,该成像传感器400产生对应于外部图像460的传感图像465的电信号。同时,为了充分调整成像入射偏振光22在成像传感器400上的曝光强度,在可变焦透镜系统100中进一步设置光圈调整器120,用于调整光圈从而调整调整穿过可变焦透镜系统100最终到达成像传感器400的成像过程的光感及调整从反射型偏振调制成像器300和发光模块500穿过可变焦透镜系统100的投影过程的光感。
所述反射型偏振调制成像器300由采用规则平铺平面排列调制像素平面阵列350构成,而成像传感器400由另一种采用规则平铺平面排列的图像传感像素阵列450构成,如图1所示,均可选地设置于硅基板上。本实施例采用LCOS微型显示成像器310作为反射型偏振调制成像器300。
图2为本发明另一实施例所述集成微型显示投影及成像系统900的截面图。如图2所示,从反射型偏振调制成像器300穿过平面偏振分光器200到达可变焦透镜系统100测量出的投影过程380的光通过距离大致等于从成像传感器400穿过平面偏振分光器200到达可变焦透镜系统100测量出的成像过程480的光通过距离。这种光学结构提供了一种统一方法,用于调整反射型偏振调制成像器300和成像传感器400相对于外部物体910的光学聚焦。
本实施例所述集成微型显示投影及成像系统900能够同时实现投影和成像,可以广泛应用于各种微型显示投影系统尤其是单成像器微型显示投影系统中。
图2所示实施例进一步显示如下可选特征:为了去除来自于发光模块500的准直源光510对成像传感器400的干扰,在发光模块500和平面偏振分光器200之间设置预偏振器650,具有一主轴111。该预偏振器650的偏振方向也垂直于平面偏振分光器200,该预偏振器650可以为成像传感器400对发往后置偏振器640的处于第二偏振态2的偏振光提供额外的过滤作用,以使在双模工作模式下,即投影和成像功能均打开且同时运行的模式下,改进信噪比性能。
图3为本发明又一实施例所述集成微型显示投影及成像系统900的截面图,在本实施例中,反射型偏振调制成像器300包括平行设置的四分之一波长减速板320及基于MEMS的衍射空间光调制成像器325,与所述平面偏振分光器200呈45度的成像角,其中的四分之一波长减速板320放置在衍射空间光调制成像器325与平面偏振分光器200之间。该四分之一波长减速板320及基于MEMS的衍射空间光调制成像器325共同为成像器入射光11提供与图1所示LCOS微型显示成像器310等效的反射型偏振调制。
图4为本发明再一实施例所述集成微型显示投影及成像系统900的截面图,可选但等效于反射型偏振调制成像器300及成像传感器400相对于平面偏振分光器200的空间结构。反射型偏振调制成像器300及成像传感器400仍然设置在平面偏振分光器200的两侧,与图1所示实施例的位置进行交换,反射型偏振调制成像器300对处于第二偏振态2的成像器入射光11进行操作。且平面偏振分光器200对处于第一偏振态1的光进行反射并使处于第二偏振态2的光通过,而后置偏振器640则进行相反的操作。
在上述各图中,为了达到所需的光学性能,集成微型显示投影及成像系统900中除了平面偏振分光器200以外的四个关键部件,即可变焦透镜系统100、反射型偏振调制成像器300、具有后置偏振器640的成像传感器400及发光模块500,均可以与平面偏振分光器200呈将近45度的倾角。
图5a为本发明上述实施例所述包含后置偏振器640的成像传感器400一种结构的截面图,图5b为本发明上述实施例所述包含后置偏振器640的成像传感器400另一种结构的截面图。其中的后置偏振器640均以薄膜结构集成到成像传感器400上,该成像传感器400包括:彩色滤光元件415的平面阵列410;以及感光像素425的平面阵列420,与所述彩色滤光元件415光学对齐,每个所述感光像素425包括至少一个光二极管426,位于半导体基板409上。
如图5a所示,后置偏振器640粘附于彩色滤光元件415的平面阵列410上形成由多个光学系数匹配层构成的复合膜。如图5b所示,采用薄膜结构的后置偏振器640形成在彩色滤光元件415的平面阵列410与感光像素425的平面阵列420之间,每个感光像素425包含至少一个光二极管426。例如,这种薄膜结构的后置偏振器640被构造成为线栅偏振器645,该线栅偏振器645由多延长反射金属条464构成。多延长反射金属条464的线性阵列被牢固地制造于成像传感器硅基芯片409的背端器件堆叠的顶部。
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)

1.一种集成微型显示投影及成像系统(900),其特征在于包括:
可变焦透镜系统(100),具有一主轴(110);
平面偏振分光器(200),面对所述可变焦透镜系统(100),与所述主轴(110)呈45度的夹角;
反射型偏振调制成像器(300),设置于所述平面偏振分光器(200)的第一侧,与所述平面偏振分光器(200)呈45度的反射角;
成像传感器(400),设置于所述平面偏振分光器(200)的第二侧,与所述平面偏振分光器(200)呈45度的成像角;
发光模块(500),用于发出与所述平面偏振分光器(200)呈45度的入射角的准直光;
后置偏振器(640),设置于所述平面偏振分光器(200)与所述成像传感器(400)之间,该后置偏振器的偏振方向垂直于所述平面偏振分光器(200)的偏振方向;
其中,从所述反射型偏振调制成像器(300)穿过平面偏振分光器(200)到达可变焦透镜系统(100)的投影过程(380)的光通过距离等于从成像传感器(400)穿过平面偏振分光器(200)到达可变焦透镜系统(100)的成像过程(480)的光通过距离。
2.根据权利要隶1所述的系统,其特征在于进一步包括:预偏振器(650),设置于所述平面偏振分光器(200)与所述发光模块(500)之间,该预偏振器的偏振方向垂直于所述平面偏振分光器(200)的偏振方向。
3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于所述反射型偏振调制成像器(300)为硅基液晶微型显示成像器(310)。
4.根据权利要求1所述的系统,其特征在于所述反射型偏振调制成像器(300)包括
平行设置的四分之一波长减速板(320)及基于微机电系统的衍射空间光调制成像器(325),与所述平面偏振分光器(200)呈45度的成像角,所述四分之一波长减速板(320)放置在所述衍射空间光调制成像器(325)与所述平面偏振分光器(200)之间。
5.根据权利要求1所述的系统,其特征在于所述可变焦透镜系统(100)进一步包括光圈调整器(120),用于调整穿过可变焦透镜系统(100)最终到达成像传感器(400)的成像过程的光量及从反射型偏振调制成像器(300)和发光模块(500)穿过可变焦透镜系统(100)的投影过程的光量。
6.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述后置偏振器(640)以薄膜结构集成到成像传感器(400)上。
7.根据权利要求6所述的系统,其特征在于,所述成像传感器(400)包括:
彩色滤光元件(415)的平面阵列(410);
感光像素(425)的平面阵列(420),与所述彩色滤光元件(415)光学对齐,每个所述感光像素(425)包括至少一个光二极管(426),所述感光像素(425)位于半导体基板(409)上。
8.根据权利要求7所述的系统,其特征在于所述后置偏振器(640)粘附于所述彩色滤光元件(415)的平面阵列(410)上。
9.根据权利要求7所述的系统,其特征在于所述后置偏振器(640)为由延长反射金属条(464)制成的线栅偏振器(645),设置在所述彩色滤光元件(415)的平面阵列(410)与所述感光像素(425)的平面阵列(420)之间。
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