CN102436068A

CN102436068A - 一种投影显示装置

Info

Publication number: CN102436068A
Application number: CN201010298589XA
Authority: CN
Inventors: 成华; 毕勇; 亓岩
Original assignee: Optoelectronics Technology Co Ltd Of Beijing Zhongshida and Chinese Academy Of
Current assignee: Optoelectronics Technology Co Ltd Of Beijing Zhongshida and Chinese Academy Of
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明属于光学领域，提供一种投影显示装置。该种投影显示装置包括：光源、第一PBS棱镜、调整组件、第二PBS棱镜、第一LCoS光调制器、第二LCoS光调制器、偏振片及投影透镜。本发明通过将非偏振光分离为P偏振光和S偏振光，再使P偏振光和S偏振光以预设角度入射到第二PBS棱镜上，从而将从第二PBS棱镜出射的经过调制的P′偏振光和S′偏振光在空间上分开，最后通过偏振片就可以方便的吸收从第二PBS棱镜出射的未经调制的反射的P偏振光，大大提高了全黑全白对比度；并且由于使用了较少的元器件，因此也大大降低了光损耗，同时也使得结构简单容易装配。

Description

一种投影显示装置

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种投影显示装置。

背景技术

一种新型的反射式硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，yixia以下简称LCoS)显示技术在大屏幕投影显示和微型显示器方面具有明显的竞争优势和巨大的市场前景。由于LCoS技术特有的优势，其应用领域非常广泛，不但容易占领民用和消费类市场(如高清电视)，也可以进入军事、医疗和各类工业市场。

在现有的双LCoS光学引擎中，偏极化分光镜(Polarization Beam SPlitter，以下简称PBS)起着将非偏振光分成P偏振光和S偏振光的作用，如图1所示P偏振光在PBS棱镜的偏振膜处透射，S偏振光在PBS棱镜的偏振膜处反射。对于F＝2.4的光学系统，通常S偏振光的反射率和透射率之比R_S/T_S＝1000，而P偏振光透射率和反射率之比T_P/R_P＝20，这说明大概有5％的P偏振光在PBS棱镜的偏振膜处发生反射，和S偏振光一起出射。正是由于反射的5％的P偏振光的存在，使得投影显示装置的全黑全白对比度只能做到20∶1左右。

为了提高全黑全白对比度，现有技术中还有一种多PBS方案以及离轴照明方案，该方案可以使投影显示装置的全黑全白对比度大于1500∶1，如公开号为CN2630880的中国实用新型专利，如图2所示，该实用新型公开了一种反射式液晶立体投影光机，包括光源组件，分光/合光系统和投影镜头，所述分光/合光系统包括一个由4个宽波带的偏振分光镜组成的呈“米”字形放置的偏振分光镜组，两块白光波片和两片反射式液晶。

但是多PBS方案以及离轴照明方案的缺点是：

1)P偏振光和S偏振光重合出射，S偏振光中反射的P偏振光无法被消除或吸收，致使其全黑全白对比度不能提高很多；

2)光学部件多，其中众多是吸收型的偏振片，光损耗高；

3)结构复杂难调试，造成工业上的装配复杂。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的主要目的在于提供一种投影显示装置，大大提高了全黑全白对比度，并且使得投影透镜的后焦距缩短，整个投影装置体积减小，光损耗降低、结构简单容易装配。

为解决达到以上目的，本发明所提供的投影显示装置，包括：

第一PBS棱镜，用于将光源发射的非偏振光分离为P偏振光和S偏振光；

调整组件，用于调整所述P偏振光和所述S偏振光入射到第二PBS棱镜的角度；

所述第二PBS棱镜，用于接收以预设角度入射的所述P偏振光和所述S偏振光，将所述P偏振光中透射出过所述第二PBS棱镜的偏振膜的P偏振光入射到第一LCoS光调制器上，将所述S偏振光以及所述P偏振光中不能透射出所述第二PBS棱镜的偏振膜的P偏振光反射到第二LCoS光调制器上；还用于将收到的S′偏振光发射出去；还用于将所述第二LCoS光调制器反射的P′偏振光和P偏振光透射出去；所述预设角度是所述P偏振光和所述S偏振光与所述第二PBS棱镜垂直线的夹角；

所述第一LCoS光调制器，用于将透射出所述第二PBS棱镜的P偏振光调制为S′偏振光，并将调制后所得的S′偏振光反射到所述第二PBS棱镜上；

所述第二LCoS光调制器与所述第一LCoS光调制器垂直放置，并且所述第一LCoS光调制器和所述第二LCoS光调制器相对于所述第二PBS棱镜的偏振膜对称放置，所述第二LCoS光调制器用于将所述第二PBS棱镜反射的S偏振光调制为P′偏振光，并将调制后所得的P′偏振光反射到所述第二PBS棱镜上，同时将反射出所述第二PBS棱镜的P偏振光再次反射到所述第二PBS棱镜上；

偏振片，用于吸收经过所述第二LCoS光调制器反射到所述第二PBS棱镜，再由所述第二PBS棱镜透射出的P偏振光；

投影透镜，用于将通过所述第二PBS棱镜出射的P′偏振光和S′偏振光进行合成，并将合成后的光投影在屏幕上。

所述调整组件包括两个反光器，所述反光器分别设置于所述第一PBS棱镜分离后产生的P偏振光和S偏振光的光路上。

所述反光器是反光镜、或者反光膜。

所述装置还包括半波片，所述半波片设置在所述第一LCoS光调制器与所述第二PBS棱镜之间；所述第一LCoS光调制器与第二LCoS光调制器的类型相同。

所述预设角度为θ1，所述P偏振光与S偏振光自身发散角为θ2，所述P′偏振光透射出所述第二PBS棱镜时，与所述第二PBS棱镜的水平夹角为θ3，所述θ3由所述投影显示装置所在投影显示系统决定，所述预设角度θ1≤θ3-θ2。

本发明的有益效果是：

1)通过第一PBS棱镜将自然光分离为P偏振光和S偏振光，再通过调整组件调整P偏振光和S偏振光的角度，使P偏振光和S偏振光以预设角度入射到第二PBS棱镜上，从而将从第二PBS棱镜出射的经过调制的P′偏振光和S′偏振光在空间上分开，最后通过偏振片就可以很方便的吸收从第二PBS棱镜出射的未经调制的反射的P偏振光，大大提高了全黑全白对比度；

2)由于使用了较少的元器件，因此也大大降低了光损耗；

3)由于使用了较少的元器件，结构简单容易装配。

附图说明

图1为现有技术中双LCoS光学引擎的结构示意图；

图2为现有技术中公开号为CN2630880的中国实用新型专利所述的反射式液晶立体投影光机结构示意图；

图3为本发明提供的投影显示装置的实施例1结构示意图；

图4为本发明提供的投影显示装置的实施例2结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明进一步说明，但不作对其的限定：

实施例1

如图3所示，本实施例1提供了一种投影显示装置，该装置包括：光源10、第一PBS棱镜11、调整组件12、第二PBS棱镜13、第一LCoS光调制器14、第二LCoS光调制器15、偏振片16及投影透镜17；

其中，光源10，用于发射非偏振光；

第一PBS棱镜11，用于接收光源10发射的非偏振光，并将该非偏振光分离为P偏振光和S偏振光；

其中，第一PBS棱镜11及第二PBS棱镜13由两个直角棱镜结合，两个直角棱镜的结合面是利用满足45度布儒斯特角条件的干涉淀积偏振膜。在图3中将PBS棱镜的偏振膜以加粗的黑线表示。该偏振膜的特性是透射P偏振光，反射S偏振光。当非偏振光以45度角入射到PBS棱镜的偏振膜时，与入射面平行的大部分P偏振光会无阻碍的透过PBS棱镜的偏振膜，小部分P偏振光会在PBS棱镜的偏振膜处发生反射；与入射面垂直的大部分S偏振光会被PBS棱镜的偏振膜反射，小部分S偏振光会透过PBS棱镜的偏振膜，这样就将非偏振光分离成两束相互垂直的光束。

调整组件12，用于调整由第一PBS棱镜13分离出的P偏振光和S偏振光入射到第二PBS棱镜13的角度，使P偏振光和S偏振光均以预设角度θ1入射到第二PBS棱镜13上，P偏振光和S偏振光之间的夹角为2θ1；

本实施例中，调整组件12可以是两个反光器，这两个反光器分别放置在由第一PBS棱镜11分离出的P偏振光和S偏振光的方向上，用来调整P偏振光和S偏振光的入射角度，使P偏振光和S偏振光均以预设角度入射到第二PBS棱镜13上。其中，反光器可以是反光镜或反光膜等一切能够反光的元件。

其中，预设角度是P偏振光与第二PBS棱镜13垂直线的夹角，或者是S偏振光与第二PBS棱镜13垂直线的夹角，如图3所示，预设角度为θ1。

现有技术中，由于大概有5％的P偏振光在PBS棱镜的偏振膜处发生了反射，而且反射的P偏振光、透射的P偏振光和反射的S偏振光重合出射，因此无法利用偏振片来吸收其中反射的p偏振光，导致现有技术中投影显示装置的全黑全白对比度不会很高。

本实施例设置预设角度θ1的目的是为了将P偏振光和S偏振光从空间上分开，这样使分别通过第一LCoS光调制器14和第二LCoS光调制器15调制后得到的S′偏振光和P′偏振光也就以不同的角度出射，因而调制后的P′偏振光和S′偏振光路不重合，由于反射的P偏振光和反射的S′偏振光重合，这样就可以方便的通过偏振片吸收S′偏振光中反射的P偏振光，由于反射的P偏振光大大减少了，因此投影显示装置的全黑全白对比度也就大大增加了。但是预设角度θ1也不能太大，因为预设角度θ1和θ3呈线性关系，θ3是P′偏振光从第二PBS棱镜13出射时，与第二PBS棱镜13的水平夹角，θ3由投影显示装置所在的投影显示系统决定，例如，对于F＝2.0的光学系统，θ3为14°，对于F＝2.4的光学系统，θ3为11.8°，因此θ3的角度值这也就决定了θ1的选取范围，即θ1≤θ3-θ2，其中，θ2是P偏振光与S偏振光的自身发散角，θ2由光源决定，一般可控制在几百毫弧度。因此下面详细介绍P偏振光和S偏振光以预设角度θ1入射到第二PBS棱镜13之后的光路流程。

第二PBS棱镜13，用于接收以预设角度入射的P偏振光和S偏振光，将该P偏振光中透射出第二PBS棱镜13的偏振膜的P偏振光入射到第一LCoS光调制器14上，将该S偏振光以及该P偏振光中不能透射出第二PBS棱镜13的偏振膜的P偏振光反射到第二LCoS光调制器15上；还用于将收到的S′偏振光反射出去；还用于将第二LCoS光调制器15反射的P′偏振光和P偏振光透射出去；

本发明实施例中预设阈值量可以是P偏振光总量的百分比，例如，设预设阈值量为5％，则有大于5％的P偏振光，也就是说最多有95％的P偏振光可以通过第二PBS棱镜13透射到第一LCoS光调制器14上，同时有小于5％的P偏振光通过第二PBS棱镜13反射到第二LCoS光调制器15上。

需要说明的是，本实施例中S偏振光也有一小部分透射出第二PBS棱镜13，但是透射出的第二PBS棱镜13的S偏振光量小于第二PBS棱镜13反射的P偏振光量，使得透射的S偏振光对本发明实施例的影响不大，因此，本发明实施例中不对透射的S偏振光进行描述。

第一LCoS光调制器14，用于对透射出第二PBS棱镜13的P偏振光进行调制，调制后为S′偏振光，并将得到的S′偏振光反射到第二PBS棱镜13上；

第二LCoS光调制器15，与第一LCoS光调制器14垂直放置，并且第一LCoS光调制器14和第二LCoS光调制器15相对于第二PBS棱镜13的偏振膜对称放置，第二LCoS光调制器15用于对第二PBS棱镜13反射的S偏振光进行调制，调制后为P′偏振光，并将调制后所得的P′偏振光反射到第二PBS棱镜13上，同时将第二PBS棱镜13反射P偏振光再次反射到第二PBS棱镜13上；

图3中将P偏振光和S偏振光以一条光线示意，但实际应用中，P偏振光和S偏振光均是一宽光束，P偏振光束完全覆盖整个第一LCoS光调制器14，S偏振光束完全覆盖整个第二LCoS光调制器15。

需要说明的是，LCoS光调制器的特性是只能调制一种偏振方向的光，例如，如果一个LCoS光调制器可以将P偏振光调制为S偏振光，则就不能调制S偏振光，也就是说不能将S偏振光调制为P偏振光；相反的，如果一个LCoS光调制器如果可以将S偏振光调制为P偏振光，则就不能调制P偏振光，也就是说不能将P偏振光调制为S偏振光。

偏振片16，用于吸收经过所述第二LCoS光调制器反射到所述第二PBS棱镜，再由所述第二PBS棱镜透射出的P偏振光；

前面已经描述过，由于将分离的P偏振光和S偏振光以预设角度入射到第二PBS棱镜13上，因此分别经过第一LCoS光调制器14和第二LCoS光调制器调制后从第二PBS棱镜13出射的S′偏振光和P′偏振光路不重合，而反射的P偏振光和反射的S′偏振光重合，这样就很方便的通过偏振片吸收S′偏振光中反射的P偏振光，达到提高全黑全白对比度的目的。

本实施例中，可以采用预设参数的偏振片16就可以达到相应的全黑全白对比度。例如，P偏振光的透射率和反射率之比为20∶1，一般采用的偏振片的偏振比参数是200∶1，则

表明本发明实施例提供的投影显示装置的全黑全白对比度为4000∶1，与现有技术相比，本发明实施例提供的投影显示装置的全黑全白对比度大大提高了。

投影透镜17，用于将通过第二PBS棱镜13出射的P′偏振光和S′偏振光进行合成，并将合成后的光投影在屏幕上。这样，就在屏幕上形成了两幅由两束偏振方向互相垂直的光形成的图像投影，观看者配戴上用一对正交偏振片制成的眼镜，即可实现双像的分离，从而在二维平面上产生出三维立体图像。

本发明实施例通过第一PBS棱镜将非偏振光分离为P偏振光和S偏振光，再通过调整组件12调整P偏振光和S偏振光的入射角度，使P偏振光和S偏振光以预设角度入射到第二PBS棱镜上，从而将从第二PBS棱镜出射的经过调制的P′偏振光和S′偏振光在空间上分开，最后通过偏振片就可以很方便的吸收从第二PBS棱镜出射的未经调制的反射的P偏振光，大大提高了投影显示装置的全黑全白对比度；并且由于使用了较少的元器件，因此也大大降低了光损耗，同时也使得结构简单，容易装配。

实施例2

实施例2与实施例1所公开的内容相比，增加了一个半波片，因为实施例1中第一LCoS光调制器14和第二LCoS光调制器15的类型是不同的，即第一LCoS光调制器14是调制P偏振光的光调制器，第二LCoS光调制器15是调制S偏振光的光调制器，这样在实际应用中要准备两种类型不同LCoS光调制器，维修更换比较麻烦，而且备件成本较高，为了使得维修更换方便，降低备件成本，实施例2其中一个LCoS光调制器前放置一个半波片，半波片可以改变偏振光的偏振方向，例如，P偏振光经过半波片后变为S偏振光，S偏振光经过半波片变为P偏振光。通过在其中一个LCoS光调制器前放置半波片，可以将某一个偏振方向的光改变为另一个偏振方向的光，这样，在实际操作中准备两个相同类型的LCoS光调制器即可。下面以图4为例具体说明与半波片相关的内容，其它内容均与实施例1相同，此处不再赘述。

如图4所示为实施例2提供的投影显示装置的示意图，在第一LCoS光调制器14前放置半波片18，这样，从第二PBS棱镜13透射出的大于预设阈值量的P偏振光先入射到半波片18上，通过半波片18后P偏振光改变为S偏振光，再通过第一LCoS光调制器14调制，S偏振光又改变为P偏振光，然后再反射到半波片18上，再次经过半波片18后，P偏振光再次改变为S′偏振光入射到第二PBS棱镜13上，最后经过第二PBS棱镜13反射出去。这样，第一LCoS光调制器14调制的是S偏振光，而第二LCoS光调制器15调制的也是S偏振光，因此在实际应用中，可以只准备相同类型的LCoS光调制器即可，使得维修更换方便，备件成本更低。

本实施例通过第一PBS棱镜将非偏振光分离为P偏振光和S偏振光，再通过调整组件12调整P偏振光和S偏振光的入射角度，使P偏振光和S偏振光以预设角度入射到第二PBS棱镜上，从而将从第二PBS棱镜出射的经过调制的P′偏振光和S′偏振光在空间上分开，最后通过偏振片就可以很方便的吸收从第二PBS棱镜出射的未经调制的反射的P偏振光，大大提高了投影显示装置的全黑全白对比度；并且由于使用了较少的元器件，因此也大大降低了光损耗，同时也使得结构简单，容易装配；进一步地，通过在第一LCoS光调制器和第二PBS棱镜之间放置半波片，可以在实际操作中只准备两个相同类型的LCoS光调制器，即第一LCoS光调制器和第二LCoS光调制类型相同，使得维修更换方便，备件成本更低。

以上已对本发明的技术内容作了详细说明。对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都不会超出本申请所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种投影显示装置，包括：光源，其特征在于，还包括：第一PBS棱镜、调整组件、第二PBS棱镜、第一LCoS光调制器、第二LCoS光调制器、偏振片、投影透镜，其中：

所述第一PBS棱镜，用于将光源发射的非偏振光分离为P偏振光和S偏振光；

所述调整组件，用于调整所述P偏振光和所述S偏振光入射到第二PBS棱镜的角度；

所述偏振片，用于吸收经过所述第二LCoS光调制器反射到所述第二PBS棱镜，再由所述第二PBS棱镜透射出的P偏振光；

所述投影透镜，用于将通过所述第二PBS棱镜出射的P′偏振光和S′偏振光进行合成，并将合成后的光投影在屏幕上。

2.根据权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，所述调整组件包括两个反光器，所述反光器分别设置于所述第一PBS棱镜分离后产生的P偏振光和S偏振光的光路上。

3.根据权利要求2所述的一种投影显示装置，其特征在于，所述反光器是反光镜、或者反光膜。

4.根据权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，所述装置还包括半波片，所述半波片设置在所述第一LCoS光调制器与所述第二PBS棱镜之间；所述第一LCoS光调制器与第二LCoS光调制器的类型相同。

5.根据权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，所述预设角度为θ1，所述P偏振光与S偏振光自身发散角为θ2，所述P′偏振光透射出所述第二PBS棱镜时，与所述第二PBS棱镜的水平夹角为θ3，所述θ3由所述投影显示装置所在投影显示系统决定，所述预设角度θ1≤θ3-θ2。