CN107092156A - 一种彩色投影显示光学引擎 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学引擎，采用单片式显示芯片，包括照明单元，显示芯片，合色单元,光纤传像器。所述显示芯片为平板显示器，包含三个独立的显示区域,分别显示红绿蓝三个颜色分量的图像；所述照明单元包含红绿蓝三种颜色光源，分别用来为显示芯片的三个显示区域提供照明；所述合色单元包含至少两个分光器件；所述光纤传像器用于传递显示芯片的图像，使每个显示区域到成像透镜的等效物距相同。所述光学引擎综合了单片式和三片式光学引擎的优点，将三片式系统变成了单片式，简化了系统结构，同时又保留了三片式光学引擎具有的色彩还原性好，较高的光学效率和较高的分辨率的优点。

Description

一种彩色投影显示光学引擎

技术领域

本发明涉及一种投影显示技术领域，特别涉及一种彩色投影显示的光学引擎。

背景技术

随着显示技术的发展，投影显示技术在日常生活中得到了广泛的应用。从采用平板显示器的显示模式上讲，主要有LCOS,HTPS,DLP几种显示方式。其中HTPS是一种透射式的LCD显示技术，LCOS是一种反射式的LCD显示技术，DLP采用DMD(DigitalMicro MirrorDevice)作为显示器件，DMD是一种微镜面阵列，每个微面镜可以向两侧倾斜10-12°左右，从而可以构成启通和断开两种工作状态，通过在时间上的积分实现不同灰度的显示。

投影显示系统的核心光学系统(光学引擎)从架构上讲又主要分为三片式系统和单片式系统。

三片式是将光源经分光棱镜将光束分为红、蓝、绿光后，再分别将光束投射入三片(LCOS/HTPS/DMD)平板显示器，将投射出的三色影像经过光学系统汇聚加以形成彩色影像。因为可以独立采用RGB单独光源，色彩还原性好。同时具有较高的光学效率和较高的分辨率；但是也有缺点，红、绿、蓝再现像在空间中合成的配准问题，容易产生颜色对位偏差，同时要采用多片显示器件，工艺复杂，成本高，不易于小型化。

单片式光学引擎则是采用时间复用的方法，光学引擎以快速旋转的色轮，将白光形成循序的红、蓝、绿光，并将三原色光与驱动程式产生的红、蓝、绿画面，同步形成分色影像，再籍由人眼视觉暂留的特征，最后在人脑产生彩色的投影画面。单片式的最大优点就是因为面板数仅需一片，加上分光，合光的系统架构比较简单，因此在成本上较具优势。但光源利用仅为先前的1/3，显示亮度明显降低；此外由于显示面板需要在红、蓝、绿画面快速的切换下合成影像，因此面板的反应速度的要求更高，使得生产的难度也相应提高。还有一种采用空间复用方法的单片式光学引擎，其采用的显示器的结构与彩色TFT-LCD显示器的结构相同，显示器的一个像素由R、G、B三个颜色的子像素构成，三个子像素进行空间混色成该点像素的颜色。采用这种结构每一个子像素需要单独控制，难以将像素尺寸做的很小，实现高分辨率显示困难，其光学效率也较低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于彩色投影显示的光学引擎，采用单片式显示芯片，包括照明单元，显示芯片，合色单元，光纤传像器。所述显示芯片为平板显示器，包含三个独立的显示区域，每一个显示区域由若干像素阵列构成,三个显示区域分别显示红绿蓝三个颜色分量的图像。所述照明单元包含红绿蓝三种颜色光源，分别用来为显示芯片的三个显示区域提供照明；所述合色单元包含至少两个分光器件，分光器件用于透过一部分光线反射一部分光线；分光器件可以是二向色镜也可以是偏振分束器，或者是其两者的组合。二向色镜可以是片状结构也可以胶合成立方体棱镜结构x-cube，偏振分束器可以是偏振分光棱镜，偏振分光板，金属栅偏振器，双折射晶体型偏振器等各种偏振分光器件。各分光器件为共轴设置，分光器件与显示芯片之间的夹角为45度或者-45度。所述光纤传像器可以是光纤面板，光纤传像束等各种光纤传像器件，用于零光程传递显示芯片的图像。照明光源出射的红绿蓝光线经过显示芯片三个显示区域分别调制后通过合色单元在空间中形成彩色图像。所述彩色投影显示光学引擎还包括至少一个成像镜，成像镜为透镜或面镜，用于将合色单元叠加形成的彩色图像放大；因为采用了光纤传像器，可以使显示芯片的三个显示区域到成像镜的等效物距都相同，从而使三个显示区域的图像在空间中叠加在同一平面。

所述显示芯片包含一个起偏器和一个检偏器。显示芯片可以是单独的1片平板显示器，也可以是多片平板显示器组装为单片平板结构。

所述照明光源可以是LED，氙灯，高压汞灯，激光光源和混合激光等各类光源。该照明光源包含用于准直的光学单元，具有特定的照明角度，准直光的发散角度在±25°内。

随着技术的发展，OLED，Micro-LED等新兴显示技术越来越成熟，发光效率越来越高，用来做投影光学引擎的显示芯片，可以省去照明光源，大大减少光学引擎的体积。但是LED是朗伯发光体，光线的发散角度大，无法直接应用，本发明提出了对应于在显示芯片的每个像素上设置一个微光学单元，将像素发出的光准直到特定方向传播，经过合色单元，成像透镜组在空间投影形成彩色放大的图像。

本发明采用单片式光学引擎架构设计，综合了单片式和三片式光学引擎的优点，将三片式系统变成了单片式，简化了系统结构，同时又保留了三片式光学引擎具有的色彩还原性好，较高的光学效率和较高的分辨率的优点。解决了三片式投影显示中的显示器件因组装误差造成的红、绿、蓝三种颜色空间混合时的配准问题。同时容易增加显示器的尺寸，增加光源的照射面积，提高投影显示亮度，可以应用于抬头显示，AR/VR显示等显示亮度要求高的环境。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为现有彩色投影显示光学引擎结构示意图；

图2为现有三片式投影系统在空间混色偏差的示意图；

图3为本发明提出的彩色投影显示的光学引擎原理图；

图4为本发明实施例提供的一种照明单元和显示芯片结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种显示芯片结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种光纤传像器结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种合色单元结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种彩色投影光学引擎的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种合色单元结构示意图；

图10为本发明实施例提供的一种彩色投影光学引擎的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的一种彩色投影光学引擎的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的一种像素光线准直结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

现有三片式投影光学引擎的结构如图1所示，白光源经过分色棱镜分成R,G,B三种颜色，通过偏振分束棱镜(PBS)分别照射到三片LCOS上，三种颜色的光经过三片LCOS的分别调制，最后通过合色棱镜将三种颜色的图像混合成一幅全彩色的画面，经过透镜系统投射出去成像。这种光学引擎要采用多片显示器件，工艺复杂，成本高，不易于小型化。同时因为三片显示为分立式结构，因为装配偏差，红、绿、蓝再现像在空间中合成存在配准问题，容易产生颜色对位偏差，如图2所示。

本发明揭示的彩色投影显示光学引擎如图3所示，包括照明单元100，显示芯片200，光纤传像器300，合色单元400，成像透镜500。

作为本发明的一种优选方案，如图4所示，所述光学引擎的照明单元100由红色101、绿色102、蓝色103三种独立的激光光源组成，三种单色光源经过透镜104、105、106准直扩束后得到三种单色的平行光源，垂直照射在显示芯片200上，三色激光光源出射光为p偏振光。显示芯片200采用透射式液晶显示屏，包括三个独立的显示区域为对红光调制的区域201，对绿光调制的区域202，对蓝光调制的区域203，每个显示区域由i*j个显示像素210组成，如图5所示。照明光源的红色光照射到液晶显示屏的红色显示区201，绿色光照射到液晶显示屏的绿色显示区202，蓝色光照射到液晶显示屏的蓝色显示区203。将需要显示的彩色图像分成红(R)，绿(G)，蓝(B)三个颜色分量的图像信号送入显示屏显示，显示屏红色显示区域201显示红色分量图像，绿色显示区域202显示绿色分量图像，蓝色显示区域203显示蓝色分量图像。

显示芯片为TN液晶模式，包含一片起偏器和一片检偏器，起偏器和检偏器偏振方向平行设置，显示像素不加电情况，液晶分子旋转90度，通过显示像素的光为s光，不能通过检偏器，此时为暗态，显示像素加电后，液晶分子竖立，不改变偏振光状态，通过显示像素的光为p光，可以通过检偏器，此时为亮态。

作为本发明的一种优选方案，所述光纤传像器300为光纤面板，由若干光纤301密排阵列构成，如图6所示，光纤面板用于将红色显示区域201的图像零光程的从光纤面板的下部平移到光纤面板的上部。

所述合色单元如图7所示，包含反射镜401，二向色镜402，偏振分束器403，1/4波片404和反射镜405。作为本发明的一种优选方案，二向色镜402为长波通器件，通过红光，反射绿光和蓝光，偏振分束器403为金属纳米线栅，通过p态偏振光，反射s态偏振光。反射镜401，二向色镜402，偏振分束器403的中心在同一直线上，为共轴设置，反射镜401与显示芯片200成-45度夹角设置，二向色镜402与显示芯片200成-45度夹角设置，偏振分束器403与显示芯片200成45度夹角设置。1/4波片404贴在反射镜405上，置于偏振分束器403的一侧。通过显示芯片红色显示区域201的p态偏振光经过光纤面板300照射到反射镜401上，被反射镜反射，光线偏折90度传播，依次通过二向色镜402，偏振分束器403出射。通过显示芯片绿色显示区域202的p态偏振光照射到二向色镜402上，被二向色镜反射，光线偏折90度传播，通过偏振分束器403出射。通过显示芯片蓝色显示区域203的p态偏振光照射到金属纳米线栅403上，通过1/4波片404后变成圆偏光，之后被反射镜405反射，再次通过1/4波片404变成s态偏振光被金属纳米线栅403反射后，光线传播方向偏折90度传播出射。如此，含有红，绿，蓝三种颜色信息分量的图像在空间中混色，经过成像透镜500后形成放大的全彩色图像。

作为本发明的一种优选方案，所述显示芯片中相邻显示区之间的距离为相同，间距为p。反射镜401，二向色镜402，偏振分束器403之间的间距为相同，间距也为p。光纤面板300的厚度设置为p,光纤面板与反射镜401中心的距离为d1,d1＝0.5p，显示面板200与二向色镜中心的距离为d2,d2＝1.5p，显示面板200与偏振分束器中心的距离为d3,d3＝1.5p，反射镜405与偏振分束器中心的距离设置为d4,d4＝0.5p。如此，显示芯片三个显示区域的光线到达合色单元出射端A的传播距离相同，为2.5p,这样使得三个显示区域到成像透镜500具有相同的物距。

实施例二

本实施例所揭示的彩色投影显示光学引擎如图8所示，包括照明单元100，显示芯片200，光纤传像器301、302，合色单元400，成像透镜500。

作为本发明的一种优选方案，所述光学引擎的照明单元100由红色101、绿色102、蓝色103三种独立的LED光源组成，三种单色光源经过复合抛物集光器CPC 104、105、106准直后得到三种单色的准平行光源，垂直照射在显示芯片200上，显示芯片采用透射式液晶显示屏，包括三个独立的显示区域为对红光调制的区域201，对绿光调制的区域202，对蓝光调制的区域203，每个显示区域由i*j个显示像素组成。照明光源的红色光照射到液晶显示屏的红色显示区201，绿色光照射到液晶显示屏的绿色显示区202，蓝色光照射到液晶显示屏的蓝色显示区203。将需要显示的彩色图像分成红(R)，绿(G)，蓝(B)三个颜色分量的图像信号送入显示屏显示，显示屏红色显示区域201显示红色分量图像，绿色显示区域202显示绿色分量图像，蓝色显示区域203显示蓝色分量图像。

显示芯片为TN液晶模式，包含一片起偏器和一片检偏器，起偏器和检偏器偏振方向平行设置，LED光源通过起偏器变为s偏振光，显示像素不加电情况，液晶分子旋转90度，通过显示像素的光为p光，不能通过检偏器，此时为暗态，显示像素加电后，液晶分子竖立，不改变偏振光状态，通过显示像素的光为s光，可以通过检偏器，此时为亮态。液晶显示器的红色显示区201包含红色滤光膜，绿色显示区202包含绿色滤光膜，蓝色显示区203包含蓝色滤光膜，所述彩色滤光膜用于通过对应颜色的光波，阻挡其他颜色的光波，起滤光器作用，用于提升光学引擎的色饱和度。

作为本发明的一种优选方案，所述光纤传像器301,302为光纤面板，由若干光纤密排阵列构成，分别用于将红色显示区域201，蓝色显示区域203的图像零光程的从光纤面板的下部平移到光纤面板的上部。

所述合色单元如图9所示，包含反射镜401、404，二向色镜402、403。作为本发明的一种优选方案，二向色镜402为短波通器件，通过蓝光和绿光，反射红光，二向色镜403为长波通器件，通过红光和绿光，反射蓝光。反射镜401、404，二向色镜402、403的中心在同一直线上，为共轴设置，

反射镜401与显示芯片200成-45度夹角设置，二向色镜402与显示芯片200成-45度夹角设置，二向色镜403与显示芯片200成45度夹角设置，反射镜404与显示芯片200成45度夹角设置。

通过显示芯片红色显示区域201的s态偏振光经过光纤面板301照射到反射镜401上，被反射镜反射，光线偏折90度传播，通过二向色镜403，被二向色镜402反射，光线偏折90度传播出射。通过显示芯片绿色显示区域202的s态绿色偏振光，照射到二向色镜402,403上，通过后出射。通过显示芯片蓝色显示区域203的s态蓝色偏振光经过光纤面板302照射到反射镜404上，被反射镜反射，光线偏折-90度传播，通过二向色镜402，被二向色镜403反射，光线偏折90度传播出射。如此，含有红，绿，蓝三种颜色信息分量的图像在空间中混色，经过成像透镜500后形成放大的全彩色图像。

作为本发明的一种优选方案，所述显示芯片中相邻显示区之间的距离为相同，间距为p。二向色镜402,403的中心重合，反射镜401，二向色镜402，二向色镜403，反射镜404之间的间距为相同，间距也为p。光纤面板301,302的厚度设置为p,光纤面板紧贴在显示芯片上，光纤面板301与反射镜401中心的距离为d1,d1＝0.5p，显示面板200与二向色镜402、403的中心的距离为d2,d2＝1.5p，光纤面板302与反射镜404中心的距离为d3,d3＝0.5p。如此，显示芯片三个显示区域的光线到达合色单元出射端A的传播距离相同，为1.5p,这样使得三个显示区域到成像透镜500具有相同的物距。

实施例三

本实施例所揭示的彩色投影显示光学引擎如图10所示，包括照明单元100，显示芯片200，光纤传像器301、302，合色单元400，成像透镜500。

作为本发明的一种优选方案，所述光学引擎的照明单元100由红色101、绿色102、蓝色103三种独立的LED光源组成，三种单色光源经过复合抛物集光器CPC 104、105、106准直后得到三种单色的准平行光源，垂直照射在显示芯片200上，显示芯片采用透射式液晶显示屏，包括三个独立的显示区域为对红光调制的区域201，对绿光调制的区域202，对蓝光调制的区域203，每个显示区域由i*j个显示像素组成。照明光源的红色光照射到液晶显示屏的红色显示区201，绿色光照射到液晶显示屏的绿色显示区202，蓝色光照射到液晶显示屏的蓝色显示区203。将需要显示的彩色图像分成红(R)，绿(G)，蓝(B)三个颜色分量的图像信号送入显示屏显示，显示屏红色显示区域201显示红色分量图像，绿色显示区域202显示绿色分量图像，蓝色显示区域203显示蓝色分量图像。

显示芯片为TN液晶模式，包含一片起偏器和一片检偏器，起偏器和检偏器偏振方向平行设置，LED光源通过起偏器变为s偏振光，显示像素不加电情况，液晶分子旋转90度，通过显示像素的光为p光，不能通过检偏器，此时为暗态，显示像素加电后，液晶分子竖立，不改变偏振光状态，通过显示像素的光为s光，可以通过检偏器，此时为亮态。液晶显示器的红色显示区201包含红色滤光膜，绿色显示区202包含绿色滤光膜，蓝色显示区203包含蓝色滤光膜，所述彩色滤光膜用于通过对应颜色的光波，阻挡其他颜色的光波，起滤光器作用，用于提升光学引擎的色饱和度。

作为本发明的一种优选方案，所述光纤传像器301,302为光纤面板，由若干光纤密排阵列构成，分别用于将红色显示区域201，蓝色显示区域203的图像零光程的从光纤面板的下部平移到光纤面板的上部。

作为本发明的一种优选方案，所述合色单元包含内反射直角棱镜401,403，合色棱镜x-cube 402，合色棱镜是由4个等腰直角棱镜上镀二向性滤色膜粘合形成，一个膜面为短波通器件，通过蓝光和绿光，反射红光，另一个膜面为长波通器件，通过红光和绿光，反射蓝光。内反射直角棱镜401,403和合色棱镜402为共轴设置，胶合在一起形成一个整体合色单元400，合色单元贴合在光纤传像器的出射端。

通过显示芯片红色显示区域201的s态偏振光经过光纤面板301照射到内反射直角棱镜401上，被反射镜反射，光线偏折90度传播，被合色棱镜402反射，光线偏折90度传播出射。通过显示芯片绿色显示区域202的s态绿色偏振光，照射到合色棱镜402上，通过后出射。通过显示芯片蓝色显示区域203的s态蓝色偏振光经过光纤面板302照射到内反射直角棱镜403上，被反射镜反射，光线偏折-90度传播，被合色棱镜402反射，光线偏折90度传播出射。如此，含有红，绿，蓝三种颜色信息分量的图像在空间中混色，经过成像透镜500后形成放大的全彩色图像。

作为本发明的一种优选方案，所述显示芯片中相邻显示区之间的距离为相同，间距为p。直角反射镜401，合色棱镜402，直角反射镜403间距为相同，间距也为p。光纤传像器301,302紧贴于显示芯片的显示区域201,203，显示芯片的显示区域202与合色单元之间为空气，间距为d，d也是光纤面板的厚度。显示区域202出射光线的发散半角是α，光纤面板的厚度d＝n1/n2*cosα/cosβ*p，其中n1为空气折射率，n2为直角反射棱镜折射率，n2＝1.5，β＝sin^(-1)(n1/n2*sinα)。如此，显示芯片三个显示区域到达成像透镜500具有相同的物距。

实施例四

本实施例所揭示的彩色投影显示光学引擎如图11所示，包括显示芯片100，光纤传像器301、302，合色单元400，成像透镜500。所述光学引擎采用micro-led显示器作为显示芯片100，micro-led显示器分为红色、绿色、蓝色三个独立的显示区，构成显示区的每个像素101上封装有一个微透镜结构102，如图12所示，微透镜用来将每个像素发出的光线准直为一个小的发散角度出射。所述光纤传像器，合色单元的结构和作用均与实施例二中描述相同。

该实施例采用Micro-led作为显示芯片，构成的光学引擎结构紧凑，易于小型化。

综上所述，本发明提出的用于彩色投影显示的光学引擎综合了单片式和三片式光学引擎的优点，将三片式系统变成了单片式，简化了系统结构，解决了因为装配偏差，红、绿、蓝再现像在空间中合成的配准问题，同时又保留了三片式光学引擎具有的色彩还原性好，较高的光学效率和较高的分辨率的优点。由所述光学引擎构成的投影系统体积更小，成本更低。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (13)

1.一种彩色投影显示光学引擎，其特征在于：包括照明单元，显示芯片，合色单元，光纤传像器；

所述显示芯片为平板显示器，包含三个独立的显示区域，每一个显示区域由若干像素阵列构成,三个显示区域分别显示红绿蓝三个颜色分量的图像；所述照明单元包含红绿蓝三种颜色光源，分别用来为显示芯片的三个显示区域提供照明；所述合色单元包含至少两个分光器件；所述光纤传像器用于传递显示芯片的图像；照明光源出射的红绿蓝光线经过显示芯片三个显示区域分别调制后通过合色单元在空间中形成彩色图像。

2.根据权利要求1所述彩色投影显示光学引擎，其特征在于：

所述合色单元中的分光器件是二向色镜或者是偏振分束器；各分光器件为共轴设置，分光器件与显示芯片之间的夹角为45度或者-45度。

3.根据权利要求2所述合色单元，其特征在于：

所述合色单元中的偏振分束器可以是偏振分光棱镜，偏振分光板，金属栅偏振器，双折射晶体型偏振器等各种偏振分光器件。

4.根据权利要求1所述彩色投影显示光学引擎，其特征在于：

所述合色单元中的两个分光器件可以组合成一个单独的分光器件。

5.根据权利要求1所述彩色投影显示光学引擎，其特征在于：

所述光纤传像器由若干根光纤阵列组成，可以是光纤面板，光纤传像束等各种光纤传像器件。

6.根据权利要求1所述彩色投影显示光学引擎，其特征在于：

所述彩色投影显示光学引擎还包括至少一个成像镜，成像镜为透镜或面镜，用于将合色单元叠加形成的彩色图像放大；显示芯片的三个显示区域到成像镜的等效物距都相同。

7.根据权利要求1所述彩色投影显示光学引擎，其特征在于：

所述显示芯片包含一个起偏器和一个检偏器。

8.根据权利要求1所述彩色投影显示光学引擎，其特征在于：

所述照明单元中的光源可以是LED，氙灯，高压汞灯，激光光源和混合激光等各类光源；所述照明单元中红绿蓝三种颜色光源可以由一组白色光源经过分色器件产生；所述照明单元还包含准直光学元件，用于将光源发出的光准直到特定的传播方向，准直光的发散角度在±25°内。

9.根据权利要求1所述彩色投影显示光学引擎，其特征在于：

所述显示芯片为单片式结构，可以是单独的1片平板显示器，也可以是多片平板显示器组装为单片平板结构。

10.一种彩色投影显示光学引擎，其特征在于：包括显示芯片，合色单元，光纤传像器；

所述显示芯片为主动发光平板显示器，包含三个独立的显示区域，每一个显示区域由若干像素阵列构成,三个显示区域分别显示红绿蓝三个颜色分量的图像；所述合色单元包含至少两个分光器件；所述光纤传像器用于传递显示芯片的图像；显示芯片的三个显示区域的单色图像通过合色单元在空间中形成彩色图像。

11.根据权利要求10所述彩色投影显示光学引擎，其特征在于：

所述合色单元中的分光器件是二向色镜或者是偏振分束器；各分光器件为共轴设置，分光器件与显示芯片之间的夹角为45度或者-45度。

12.根据权利要求10所述彩色投影显示光学引擎，其特征在于：

所述彩色投影显示光学引擎还包括至少一个成像镜，成像镜为透镜或面镜，用于将合色单元叠加形成的彩色图像放大；显示芯片的三个显示区域到成像镜的等效物距都相同。

13.根据权利要求10所述彩色投影显示光学引擎，其特征在于：

所述显示芯片为OLED，Micro-LED等各类自发光平板显示器；

所述显示芯片中的每一个显示像素上包含至少1个光学准直元件，用于将显示像素发出的光准直到特定的传播方向。