CN107765495A - 一种显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明保护一种显示系统，包括光源，用于出射第一光；匀光装置，包括光入射面，用于接收第一光，并使其均匀化；光调制器，用于接收匀光装置出射的至少部分光并根据图像信号对入射于该光调制器的至少部分光进行调制，并出射调制光和非调制光；光引导装置，用于将光调制器出射的至少部分非调制光引导至匀光装置的光入射面，使其经匀光装置后进入光调制器。

Description

一种显示系统

技术领域

本发明涉及显示领域，特别是涉及一种可回收再利用光调制器的非调制光的显示系统。

背景技术

随着数字化教学的不断推广和影院行业的迅猛发展，投影机的重要性已越来越彰显，而投影机的亮度作为投影显示领域的重要参数，成为业内研究人员的关注重点。

基本的投影系统包括光源、光调制装置和投影镜头，光源发出的光经过光调制装置的调制后，被投影镜头投射到屏幕上显示出图像。其中，入射到光调制装置的光，一部分被调制后进入投影镜头，而剩下的非调制光被吸收掉或转化成热。光调制装置主要包括液晶光阀和DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜设备)，其中，液晶光阀通过改变入射光的透过率，出射调制光并吸收非调制光；而DMD通过控制微镜在ON状态和OFF状态之间切换，将入射到ON状态的微镜的光反射进入投影镜头，并将入射到OFF状态的微镜的光反射到光吸收部。无论哪种光调制方式，都无法利用非调制光，既浪费了光能，限制了投影图像的亮度提高，又产生了热量，影响投影机的使用寿命、增大了投影机的散热体积。例如影院的投影机在播放电影时，亮度的平均值为最大亮度的40％左右，在不考虑光学器件其他光损耗的情况下，至少有60％的光被浪费掉。因此，如何提高光的利用率，成为提高投影机亮度、减小投影机体积的关键。

现有技术中，有本领域技术人员利用反射对DMD的OFF光进行回收再利用。在ZL02118810.6中，如图1所示，光源10发出的光经集光元件330等光学器件入射到空间光调制元件310，当前空间光调制元件310处于OFF状态，光被反射后没有进入投影镜头370，而是入射到反射元件320。之后，光被反射元件320反射后原路返回到集光元件330，并在集光元件330与反射元件320之间不断循环，直到空间光调制元件310处于ON状态之后进入投影镜头。然而该技术方案具有缺陷，首先，集光元件330靠近光源10的入射面332上有一个入射孔，回收光进入集光元件330后可能从该入射孔逃逸，造成光损失；其次，空间光调制元件330包括多个微镜，对于输入的图像数据，可能部分微镜处于OFF状态、部分微镜处于ON状态，经反射元件320反射后的OFF光不可能准确无误的照射到OFF状态的微镜上，势必造成光损失；此外，光还可能在经过全反射镜360时产生像散。可见，利用原路返回的方式进行光回收利用的光利用率低、不具有实际可行性。

发明内容

针对上述现有技术的光回收再利用技术的光利用率低、可行性差的缺陷，本发明提供一种光利用率高、实际可行的光回收再利用的显示系统，包括：光源，用于出射第一光；匀光装置，包括光入射面，用于接收第一光，并使其均匀化；光调制器，用于接收所述匀光装置出射的至少部分光并根据图像信号对入射于该光调制器的至少部分光进行调制，并出射调制光和非调制光；光引导装置，用于将光调制器出射的至少部分非调制光引导至匀光装置的光入射面，使其经匀光装置后进入光调制器。

优选地，调制光为第一偏振态的光，非调制光为第二偏振态的光，第一偏振态与第二偏振态为偏振方向不同的两种偏振态，光引导装置用于将光调制器出射的调制光与非调制光分别引导向不同的方向；入射于光调制器的光为第三偏振态的光，第三偏振态与第一偏振态或第二偏振态相同。

优选地，包括第一偏振转换元件，位于匀光装置与光调制器之间的光路上，用于将匀光装置的出射光在入射到光调制器之前转换为第三偏振态的光。

优选地，光调制器为透射式液晶光阀，包括用于调节入射到光调制器的光的偏振态的液晶层，包括相对的入射面和出射面。

优选地，入射于光调制器的光沿垂直于光调制器的入射面的方向入射，经光调制器调制后产生调制光和非调制光；调制光与非调制光从光调制器的出射面沿同一方向出射，第三偏振态与第二偏振态相同。

优选地，光调制器为反射式液晶光阀。

优选地，光引导装置包括偏振分光元件，用于透射第一偏振态和第二偏振态之一的偏振态的光，并反射另一偏振态的光；偏振分光元件引导匀光装置的出射光斜入射到光调制器的入射面，并将光调制器出射的调制光和非调制光分别引导向不同的方向。

优选地，包括全反射棱镜，全反射棱镜引导匀光装置的出射光斜入射到光调制器的入射面，并引导光调制器出射的调制光和非调制光沿同一方向从全反射棱镜中出射。

优选地，光调制器为数字微镜设备，数字微镜设备的处于开状态的微镜单元将至少部分入射于该数字微镜设备的光反射形成作为调制光，数字微镜设备的处于关状态的微镜单元将至少部分入射于该数字微镜设备的光反射形成非调制光，调制光与非调制光沿不同方向从数字微镜设备中出射。

优选地，匀光装置包括复眼透镜对或积分棒。

优选地，匀光装置的光入射面包括互相不重叠的第一区域和第二区域，第一光从第一区域入射到匀光装置，非调制光经光引导装置引导后从第二区域入射到匀光装置。

优选地，匀光装置包括复眼透镜对，第一区域与第二区域的面积比为1:1～1:2。

优选地，第一光与非调制光的偏振态相同。

优选地，第一光为偏振光，光引导装置包括偏振合光元件，位于光源与匀光装置之间的光路上，且非调制光与第一光分别从不同方向入射于偏振合光元件，并合为一束光入射于匀光装置的光入射面。

优选地，光引导装置包括第二偏振转换元件，用于调节非调制光的偏振态，使经调节后的非调制光的偏振态与第一光的偏振态在入射到偏振合光元件时不同。

优选地，光引导装置包括由多个反射镜组成的反射镜组和由多个中继透镜组成的透镜组；光引导装置用于将非调制光在入射到匀光装置的光入射面之前转变为与第一光平行的光；或者光引导装置用于控制非调制光在匀光装置的光入射面的入射角度，使得该非调制光与第一光在匀光装置的光入射面的入射角度分布连续。

优选地，光源为激光光源，第一光为蓝光或紫外光。

优选地，第一光为白光。

优选地，还包括位于光调制器的出射光路上的投影镜头。

优选地，其特征在于，光引导装置包括光回收率控制装置，用于控制光调制器出射的非调制光到达匀光装置的光入射面的比率。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：

本发明利用光引导装置将至少部分光调制器出射的非调制光引导至匀光装置的光入射面，使其与光源发出的第一光一同经匀光装置的均匀化后再次进入光调制器，有效的实现了非调制光的回收利用，提高了光利用率，提高了出射图像的亮度和对比度。本发明利用匀光装置本身的较大光学扩展量接收程度的特性，除了满足了光源发出的较小的光学扩展量，还留有足够的光学扩展量余量供非调制光回收利用，使得光回收效率大大提高。

附图说明

图1为现有技术中一种显示系统的结构示意图；

图2为本发明的显示系统的原理框图；

图3a为本发明的实施例一的显示系统的结构示意图；

图3b为本发明的实施例二的显示系统的结构示意图；

图3c为本发明的实施例三的显示系统的结构示意图；

图4a为本发明的实施例四的显示系统的结构示意图；

图4b为本发明的实施例四的变形实施例的显示系统的结构示意图；

图4c为本发明的实施例五的显示系统的结构示意图；

图5为本发明的实施例六的显示系统的结构示意图。

具体实施方式

由背景技术的论述可知，利用光路原路返回的方式进行非调制光的回收再利用的光利用率低，不具有可行性。

本发明基于的基本原理：对于投影显示系统，由空间光调制器尺寸和镜头的焦距口径比决定了整机系统的光学扩展量，根据光学扩展量守恒的原则，光源系统中的光学扩展量必须小于等于整机光学扩展量，由此决定了匀光装置处所能承受的光学扩展量。而本发明中光源具有较小的光学扩展量，小于匀光装置所能承受的光学扩展量。因此，正是这种光学扩展量的余量，可以使得空间光调制器出射的非调制光可以被回收利用。

本发明利用匀光装置具有较大的光学扩展量接收程度的特性，通过光引导装置将光调制器出射的非调制光引导重新入射到匀光装置的入射端，使非调制光与光源发出的较小光学扩展量的光从匀光装置的同一入射端共同进入匀光装置，经匀光后进入光调制器被调制，而非从匀光装置的出射端进入，避免了光在匀光装置重新利用时的光损失。

如图2所述，为本发明的显示系统的原理框图，显示系统包括光源、匀光装置、光调制器和光引导装置。光源发出的第一光经过匀光装置均匀化后，进入光调制器，以调制光和非调制光出射。其中调制光进入后续光路(如颜色调制器、投影镜头等)，而非调制光经光引导装置重新回到匀光装置的光入射面，并经匀光装置均匀化后，与新的第一光一同进入光调制器再次被调制。光引导装置的作用为将光调制器上出射的非调制光成像到匀光装置的光入射面，即光的面分布成像为面分布；而经过匀光装置等的作用，光从匀光装置的光入射面成像到光调制器的入射面，同样为光的面分布成像为面分布。在理想情况下，非调制光经多次循环，按照图像数据等比例的被分配到调制光的输出通道，从而增强了调制光的亮度。

在投影、显示领域光调制器主要分为两类，一类是以DMD(数字微镜设备)为代表的不限制入射光偏振态的光调制器，一类是以LCD(液晶光阀)和LCOS(反射式液晶光阀)为代表的限制入射光为偏振光的光调制器。

在本发明中，对应数字微镜设备的技术方案利用微镜的开状态和关状态偏转方向不同的特性，将调制光和非调制光分别反射向不同的方向，再由光引导装置将其中的非调制光引导至匀光装置的光入射面，从而实现非调制光的回收利用。

在本发明中，对应液晶光阀和反射式液晶光阀的技术方案利用光的偏振特性，将光调制器出射的调制光与非调制光分成两种不同的偏振态，并利用光引导装置将调制光与非调制光分别引导向不同的方向，将其中的非调制光重新引导至匀光装置的入射端，相对于其他方案具有明显的优势——可以很容易的利用偏振态的不同将调制光与非调制光区分开(如利用偏振分光片)。即使在调制光与非调制光沿同一方向呈一束光的形式出射，仍然可以用偏振分光装置将其分为方向不同的两束光。而如上述数字微镜设备的技术方案中，微镜的偏转角度仅有±12°，也即对应开状态的调制光和对应关状态的非调制光最多有24°的夹角，难以在短传播距离上将其分开。因此，相对于本发明数字微镜设备为代表的方案，利用调制光与非调制光偏振态不同特性的技术方案更具有实用性，适用于更多的应用环境。

本发明所指的光源，既包括光源为单独的发光元件(如半导体发光元件、半导体发光元件阵列、灯泡光源等)的情况，也包括光源为发光元件与其他光学元件组合得到的发光模组的情况(例如，发光元件与透镜组合的发光模组、发光元件与偏振转换元件的发光模组)。可以将本发明所述的光源看作一个出射第一光的“黑盒子”，“黑盒子”中可以包含任何种类的光学元件。

本发明所指的调制光，是指对应于显示系统的显示图像的光，相当于一般的显示系统中的进入显示屏幕的光；非调制光指本发明用于回收利用的光，相当于一般的显示系统中被过滤掉的、不进入显示屏幕的光。

下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。

实施例一

请参见图3a，图3a为本发明的实施例一的显示系统的结构示意图。该显示系统包括光源101、匀光装置102、光调制器103和光引导装置104。

其中，光源101用于出射第一光1，匀光装置102包括光入射面，用于接收第一光1并使其均匀化。光调制器103用于接收匀光装置102出射的至少部分光并根据图像信号对入射于光调制器103的至少部分光进行调制，并出射调制光2和非调制光3。光引导装置104用于将光调制器103出射的至少部分非调制光3引导至匀光装置102的光入射面，使其经匀光装置102均匀化后再次进入光调制器103。

在本实施例中，在光调制器103的作用下，入射其中的光依图像信号被转变为偏振态不同的调制光2和非调制光3。其中，调制光2为第一偏振态的光(如P光，但不限于此)，非调制光3为第二偏振态的光(如S光，但不限于此)，第一偏振态与第二偏振态为偏振方向不同的两种偏振态。光引导装置104将光调制器103出射的调制光2与非调制光3分别引导向不同的方向。如上所述，调制光与非调制光的偏振态不同，使得两者便于分光，更具有实用性，适用于更多的应用环境。

在本实施例中，入射于光调制器103的光为单一偏振态的第三偏振态的光。由于光调制器103对入射光的偏振态产生作用，假若入射于光调制器的光有多种偏振态，则无法根据出射光的偏振态区分出作为图像组成部分的调制光。本实施例中的第三偏振态与第二偏振态相同。在本发明的其他实施方式中，第三偏振态也可以与第一偏振态相同，根据光调制器本身的偏振转换功能来设定。当然，第三偏振态也可以与第一偏振态和第二偏振态均不同，例如第三偏振态为椭圆偏振光。

<光调制器>

本实施例一中，光调制器103为透射式液晶光阀，包括用于调节入射到该光调制器的光的偏振态的液晶层，光调制器103包括相对的入射面和出射面(分别位于液晶层的两侧)。可以通过控制施加在液晶层上的电压，控制液晶层内液晶分子的排列方向。优选地，在不施加电压的情况下，液晶层能够将穿过其的偏振光的偏振方向旋转90°。

在本实施例中，具体地，入射于光调制器103的光沿垂直于光调制器103的入射面的方向入射(可以减少光损失，有利于图像的亮度和色彩均匀性)。根据输入图像信号，光调制器103将光调制后产生调制光2和非调制光3。在本实施例中，第三偏振态与第二偏振态为相同的偏振态，即被改变偏振态的光成为第一偏振态的调制光2，而其余部分未改变偏振态的光成为第二偏振态的非调制光3。该调制方式可以通过改变施加到光调制器103的电压来改变液晶层内液晶分子的排列方向实现，可以参照LCD的工作原理，此处不再赘述。

当然，在其他实施方式中，也可以根据输入图像信号，将改变偏振态的光作为非调制光，而未改变偏振态的光作为调制光，这种技术方案对应上述“第三偏振态与第一偏振态相同”的情形。该技术方案可以在实施例一的基础上通过将图像信号转换为反色图像信号，并输入到光调制器来实现；也可以通过在实施例一的基础上在光调制器中增加二分之一波片来实现；还可以通过采用其他种类的透射式液晶光阀实现，此处不再详细说明。

在本实施例中，调制光2与非调制光3从光调制器103的出射面沿同一方向出射。需要注意的是，在一般的LCD中，光经过液晶层后，在出射前需经过一偏振滤光片，因此非调制光无法出射。但是本发明中，调制光和非调制光都能够从光调制器中出射，从而能够在后续光路中通过光引导装置104将其中的非调制光回收利用。

<光源>

在本实施例一中，第一光1为第二偏振态的偏振光，也即第一光1与非调制光3的偏振态相同。第一光1与非调制光3合为一束单一偏振态的光(即第三偏振态的光)入射于匀光装置102的光入射面，经匀光装置102匀光后均匀的照射到光调制器103的入射面。该技术方案避免了额外增加其他偏振转换装置，使得第一光1和非调制光3经匀光装置102均匀化后能直接被光调制器103利用，简化了结构。

当然，在本实施例的其他实施方式中，第一光1也可以为第一偏振态的偏振光，该技术方案要求在匀光装置与光调制器之间的光路上设置第一偏振转换元件，用于将匀光装置的出射光在入射到光调制器之前转换为第三偏振态的光，以确保单一偏振态的光入射光调制器。还可以将第一偏振转换元件设置在匀光装置的光入射面之前，同样起到将第一光和非调制光都转换为第三偏振态的光的功能，但是一般的光学设计中将偏振转换元件设置于匀光装置的后端光路上。

如上所述的关于本发明的光源的定义，第一光可以是发光元件直接发出的偏振光(即光源为偏振光源)，也可以是发光元件发出的光经过偏振转换得到的偏振光(即光源为发光元件+偏振光转换器件)。

在本实施例中，光源101为激光光源，如激光二极管光源、激光二极管阵列光源或激光器光源。该光源具有光学扩展量小的特点，使得第一光在进入匀光装置时具有较小的光斑和较小的光发散角，并使得光经过一系列光学元件入射到光调制器时保持较小的光学扩展量，避免了大量的光因发散角大而无法被利用，提高了光利用率。如果采用其他光源，如灯泡光源、LED光源，其光学扩展量远大于激光光源的光学扩展量，为使入射到匀光装置的光斑满足入射面的大小，将会扩大光的发散角，这将使得大量的光无法被光调制器利用而在光调制器的有效光学面之外被吸收转换成热量。本实施例中，将第一光与非调制光通过几何合光的方式合成一束光，本就增大了匀光装置的截面积，使得光学扩展量扩大，如果使用光学扩展量大的光源，将进一步减小光利用率；而本实施例采用小光学扩展量的激光光源，即使将回收利用的非调制光与第一光几何合光，仍能保证入射到光调制器的光具有较小的光学扩展量。

当然，在对光利用率要求不高的环境下，也可以采用灯泡或LED光源作为显示系统的光源。在本发明的光回收技术方案下，即使采用该类光源，也能够相对于不采用本发明的技术方案具有更高的光利用率。

在本实施例中，第一光为蓝光激光，蓝光作为投影、显示的基色光，既可以单独作为基色光，也可以作为产生红绿基色光的激发光。当然，第一光也可以为紫外光，紫外光能够激发不同的荧光粉产生红绿蓝三基色光。在本发明的其他实施例中，第一光也可以为白光，白光经过光调制器调制后可以经过滤光装置或分色棱镜分成红绿蓝三基色光。

<匀光装置>

在本实施例中，匀光装置102包括复眼透镜对。该复眼透镜对的入射面包括互相不重叠的第一区域和第二区域，第一光1从第一区域入射进入复眼透镜对，而非调制光3从第二区域入射进入复眼透镜对。由于第一区域与第二区域互相不重叠，该技术方案可以适用于第一光1与非调制光3波长相同、偏振态相同的情形。这是由于本实施例中的第一光1和非调制光3的波长相同、偏振态相同，不能通过波长合光或偏振合光的方式合光。

当然，这种几何合光的方式也同样可以适用于第一光与非调制光的偏振态不同的情形，甚至适用于第一光与非调制光为非偏振光的情形，只要保证合光后的光在入射到光调制器之前变成单一偏振态的光即可。具体地，可以通过在匀光装置与光调制器之间的光路上设置一偏振转换元件即可，该偏振转换元件用于将匀光装置的出射光在入射到光调制器之前转换为第三偏振态的光。

在本实施例中，第一区域和第二区域在匀光装置的光入射面并排排列。在其他实施方式中，第一区域和第二区域也可以依照其他的排列方式。例如，将第二区域设置于第一区域的周围，第一区域与第二区域呈“回”字型分布，使得第一区域位于匀光装置的中央，该分布方式可以避免第一光从匀光装置出射后具有一定的偏转角，进而便于后续光学器件的角度摆放，而且具有更好的均匀性。本实施方式既可以利用中间带通孔的反射片(如回字型反射片，中间的口是通孔)将非调制光反射到第二区域，同时使第一光透过；还可以利用半透半反的分光片将非调制光分成波长、偏振态相同的两束光，分别引导至第一区域上下两侧的第二区域。此外，第一区域和第二区域还可以是“目”字型排布，使得第一区域位于第二区域中央，第二区域分成两部分位于第一区域的上下(或左右)。

在本实施例中，第一区域与第二区域的面积比为1:1～1:5。在匀光装置102的截面积不变的情况下，第一区域面积小于第二区域面积能够使得显示系统具有更高的光利用率。这是由于第一区域与第二区域在原理上是光学扩展量合光，对于相同的非调制光，第二区域面积越大，非调制光对应的发散角越小，第二区域面积越小，非调制光对应的发散角越大，而过大的发散角的光是无法被利用的，因此第二区域所占的比例决定了光回收利用的效率。此外，受限于显示系统的体积，匀光装置的体积不能过大，因此第一区域的大小也要满足光源出射光的光学扩展量要求，第一区域不能无限减小，否则第一光的发散角也会扩大到使第一光的利用率下降。

<光引导装置>

在本实施例中，光引导装置104包括由多个反射镜组成的反射镜组和由多个中继透镜组成的透镜组，如反射镜1041、1042、1043、1044，中继透镜1045、1046。本发明保护的技术方案不限于实施例中数量或种类的反射镜和中继透镜，反射镜可以是平面反射镜或曲面反射镜，中继透镜也可以是凸透镜或凹透镜。本实施例中，光引导装置104将非调制光引导至匀光装置的入射面之前，并使其在入射到匀光装置的光入射面之前转变为与第一光平行的光。

当然，本发明的光引导装置不限于本实施例中的方案，只要能够实现将至少部分光调制器出射的非调制光引导至匀光装置的光入射面、使其经匀光装置后再次进入光调制器的功能即可。

实施例二

请参见图3b，图3b是本发明的实施例二的显示系统的结构示意图。显示系统包括光源101、匀光装置102’、光调制器103和光引导装置104’。与图3a所示的实施例一的区别在于，本实施例中的匀光装置102’由复眼透镜对替换成为积分棒。

本实施例中，光调制器103为透射式液晶光阀，具体描述参照上述实施例一中<光调制器>的描述。

本实施例中，光源101参照实施例一中关于<光源>的描述。

本实施例中，光引导装置104’同样包括由多个反射镜组成的反射镜组和由多个中继透镜组成的透镜组。不同之处在于，经光引导装置104’引导的光以斜入射的方式入射于匀光装置，光引导装置104’控制非调制光在匀光装置的光入射面的入射角度，使得该非调制光与第一光在匀光装置的光入射面的入射角度分布连续。

本实施例中，匀光装置102’包括积分棒。积分棒的特性是通过使入射其中的光多次反射从而达到将光均匀化的效果。相对于复眼透镜对，积分棒能够接收一定入射角度的光入射于入射面的情况。

当然，本发明的其他实施方式中，也可以在实施例一的基础上，直接将复眼透镜对替换成积分棒。也即，可以采用在积分棒102’的光入射面划分供第一光1入射的第一区域和供非调制光3入射的第二区域的技术方案。该技术方案可以参照实施例一中关于<匀光装置>的表述，将其中的复眼透镜对替换成积分棒即可，此处不再赘述。需要注意的是，由于第一光和非调制光都或大或小的具有一定的发散角，即使其入射于积分棒的光束的主光轴与积分棒的轴向相同，也能够利用积分棒多次反射达到均匀化的效果。

实施例三

请参见图3c，图3c是本发明的实施例三的显示系统的结构示意图。本实施例与图3a的实施例一的区别主要在于第一光与非调制光的合光方式不同。

本实施例的显示系统包括光源101、匀光装置102、光调制器103和光引导装置104”。光源101用于出射第一光1，匀光装置102包括光入射面，用于接收第一光1并使其均匀化。光调制器103用于接收至少部分匀光装置102出射的光并根据图像信号对入射于光调制器103的光进行调制，并出射调制光2和非调制光3。光引导装置104”用于将至少部分光调制器103出射的非调制光3引导至匀光装置102的光入射面，使其经匀光装置102均匀化后再次进入光调制器103。

在本实施例中，在光调制器103的作用下，入射其中的光依图像信号被转变为偏振态不同的调制光2和非调制光3。其中，调制光2为第一偏振态的光，非调制光3为第二偏振态的光，第一偏振态与第二偏振态为偏振方向不同的两种偏振态。光引导装置104将光调制器103出射的调制光2与非调制光3分别引导向不同的方向。

在本实施例中，入射于光调制器103的光为单一偏振态的第三偏振态的光。本实施例中的第三偏振态与第二偏振态相同。在本发明的其他实施方式中，第三偏振态也可以与第一偏振态相同，根据光调制器本身的偏振转换功能来设定。

在本实施例中，光调制器103为透射式液晶光阀，包括用于调节入射到该光调制器的光的偏振态的液晶层。在光调制器103的作用下，入射其中的光依图像信号被转变为第一偏振态的调制光2和第二偏振态的非调制光3。本实施例三中的光调制器103的具体描述参照上述实施例一中<光调制器>的描述。

本实施例中，光源101为激光光源，如激光二极管光源、激光二极管阵列光源或激光器光源。该光源具有光学扩展量小的特点，使得第一光在进入匀光装置时具有较小的光斑和较小的光发散角，并使得光经过一系列光学元件入射到光调制器时保持较小的光学扩展量，避免了大量的光因发散角大而无法被利用，提高了光利用率。当然，在对光利用率要求不高的环境下，也可以采用灯泡或LED光源作为显示系统的光源。在本发明的光回收技术方案下，即使采用该类光源，也能够相对于不采用本发明的技术方案具有更高的光利用率。

在本实施例中，第一光为蓝光激光，蓝光作为投影、显示的基色光，既可以单独作为基色光，也可以作为产生红绿基色光的激发光。当然，第一光也可以为紫外光，紫外光能够激发不同的荧光粉产生红绿蓝三基色光。在本发明的其他实施例中，第一光也可以为白光，白光经过光调制器调制后可以经过滤光装置或分色棱镜分成红绿蓝三基色光。

在本实施例中，光引导装置104包括偏振合光元件1044”(该装置在图3a的实施例一中为反射镜1044)，位于光源101与匀光装置102之间的光路上(此处所述的光路上是指光从光源101经该器件到达匀光装置102，并非特指该器件位于光源101与匀光装置102之间的直线上)，且非调制光与第一光分别从不同方向入射于该偏振合光元件1044”(图中所示的非调制光与第一光以相互垂直的方向分别以45°角入射于偏振合光元件1044”的两侧面，实际实施方式中不限于该入射角度，非调制光与第一光在入射于偏振合光元件1044”前的夹角也不限于90°)，并合为一束光入射于匀光装置102的光入射面。

在本实施例中，第一光1为偏振光。由于第一光与非调制光的波长相同，两者通过偏振态不同的方式进行合光，即第一光和非调制光在入射于偏振合光元件1044”时分别为不同的偏振态。

在本实施例中，还包括第一偏振转换元件105，位于匀光装置102与光调制器103之间的光路上，用于将匀光装置102的出射光在入射到光调制器103之前转换为第三偏振态的光。还可以将第一偏振转换元件设置在匀光装置的光入射面之前，同样起到将第一光和非调制光都转换为第三偏振态的光的功能。由于偏振合光元件1044”不改变第一光和非调制光的偏振态，因此第一光和非调制光在从偏振合光元件1044”出射并合为一束光后仍为不同的偏振态。在第一偏振转换元件105的作用下，第一光和非调制光的合光转换为单一的第三偏振态，从而能够被光调制器103利用。

在本实施例中，第一光1为第一偏振态的偏振光，光调制器103出射的调制光2为第一偏振态的光，光调制器103出射的非调制光3为第二偏振态的光。因此第一光1和非调制光3的偏振态不同，可以直接经偏振合光元件1044”合光。合光后的第一偏振态与第二偏振态的混合光经过第一偏振转换元件105被转换为第三偏振态的光，第三偏振态与第二偏振态相同。

在本发明的其他实施方式中，第一光1也可以与光调制器103出射的非调制光的偏振态相同。该情形下，显示系统的光引导装置还包括第二偏振转换元件，用于调节非调制光的偏振态，使得经过调节后的非调制光的偏振态与第一光的偏振态在入射到偏振合光元件时不同，从而能够实现偏振合光。

本实施例中，匀光装置102同样既可以为复眼透镜对也可以为积分棒。本实施例中，匀光装置102的光入射面无需划分供第一光入射的第一区域和供非调制光入射的第二区域，这是由于第一光和非调制光经偏振合光元件1044”合光后成为重叠的一束光，可以入射于匀光装置的同一区域。该技术方案相对于实施例一和实施例二的技术方案，减小了匀光装置的光入射面面积，进而减小了投射到光调制器上的光斑发散角，具有较高的光利用率。

当然，本发明的其他实施方式中，在实施例三的基础上，仍可以使第一光与非调制光部分重叠或不重叠的入射于匀光装置的光入射面，该技术方案可以参照上述实施例一和实施例二中划分第一区域与第二区域的技术方案。

实施例四

请参见图4a，图4a为本发明的实施例四的显示系统的结构示意图。该显示系统包括光源201、匀光装置202、光调制器203和光引导装置204。与上述图3a-3c的实施例不同的是，本实施例中，光调制器203为反射式液晶光阀。

光源201用于出射第一光1，匀光装置202包括光入射面，用于接收第一光1并使其均匀化。光调制器203用于接收至少部分匀光装置202出射的光并根据图像信号对入射于光调制器203的光进行调制，并出射调制光2和非调制光3。光引导装置204用于将至少部分光调制器203出射的非调制光3引导至匀光装置202的光入射面，使其经匀光装置202均匀化后再次进入光调制器203。

在本实施例中，在光调制器203的作用下，入射其中的光依图像信号被转变为偏振态不同的调制光2和非调制光3。其中，调制光2为第一偏振态的光，非调制光3为第二偏振态的光，第一偏振态与第二偏振态为偏振方向不同的两种偏振态。光引导装置204将光调制器203出射的调制光2与非调制光3分别引导向不同的方向。

在本实施例中，入射于光调制器203的光为单一偏振态的第三偏振态的光。本实施例中的第三偏振态与第二偏振态相同。在本发明的其他实施方式中，第三偏振态也可以与第一偏振态相同，根据光调制器本身的偏振转换功能来设定。

本实施例通过将实施例一中的光调制器替换为反射式液晶光阀实现，本实施例的变形实施例同样可以将实施例二、实施例三及其扩展的实施方式中的光调制器替换为反射式液晶光阀实现。本实施例中，光源201、匀光装置202和光引导装置204的结构、功能等技术特征可以参照上述实施例中的描述。例如，匀光装置包括复眼透镜对或积分棒，合光方式包括几何合光和偏振合光。

本实施例中，光调制器203包括用于调节入射到该光调制器的光的偏振态的液晶层，光调制器203包括入射面和位于液晶层相对于入射面的反射层。光从入射面入射后，经液晶层到达反射层被反射，然后再次穿过液晶层，从入射面出射。可以通过控制施加在液晶层上的电压，控制液晶层内液晶分子的排列方向，从而控制光调制器的出射光的偏振方向。根据输入图像信号，光调制器203将光调制后产生调制光2和非调制光3。在本实施例中，第三偏振态与第二偏振态为相同的偏振态，即被改变偏振态的光成为第一偏振态的调制光2，而其余部分未改变偏振态的光成为第二偏振态的非调制光3。该调制方式可以通过改变施加到光调制器103的电压来改变液晶层内液晶分子的排列方向实现，可以参照LCOS的工作原理，此处不再赘述。

当然，在其他实施方式中，也可以根据输入图像信号，将改变偏振态的光作为非调制光，而未改变偏振态的光作为调制光，这种技术方案对应上述“第三偏振态与第一偏振态相同”的情形。该技术方案可以在本实施例的基础上通过将图像信号转换为反色图像信号，并输入到光调制器来实现；也可以通过在本实施例的基础上在光调制器中增加四分之一波片来实现；还可以通过采用其他种类的反射式液晶光阀实现，此处不再详细说明。

在本实施例中，入射于光调制器203的光经调制作用，产生的调制光2与非调制光3从光调制器203的出射面沿同一方向出射。在一般的LCOS设备中，利用PBS棱镜将调制光与非调制光分光，并将非调制光沿入射方向反向原路返回，这导致非调制光无法被重新利用，或者如背景技术中的光回收方案可行性低。而本实施例利用光引导装置204将非调制光沿非原路返回的方向引导至匀光装置202的光入射面。

具体的，本实施例中，光引导装置204包括偏振分光元件2041，偏振分光元件引导匀光装置的出射光斜入射到光调制器203的入射面，并将光调制器出射的调制光2和非调制光3分别引导向不同的方向。偏振分光元件2041透射第一偏振态的调制光2，并反射第二偏振态的非调制光3，由于本实施例中的第三偏振态与第二偏振态相同，因此匀光装置的出射光经偏振分光元件2041反射后入射于光调制器203。偏振分光元件2041可以为一偏振片，也可以为在棱镜上镀制的偏振选择膜。

在本实施例中，利用光斜入射进入反射式液晶光阀，有效的避免了与入射光相同偏振态的光顺着原路返回。

当然，在本实施例的变形实施例中，偏振分光元件也可以透射第二偏振态的光并反射第一偏振态的光。如图4b所示为本发明的实施例四的变形实施例的显示系统的结构示意图。如图所示，本变形实施例与实施例四的区别仅在于，偏振分光元件2041’透射第二偏振态的光并反射第一偏振态的光，该实施例是实施例四的实施方式的进一步拓展。

实施例五

请参见图4c，图4c为本发明的实施例五的显示系统的结构示意图。显示系统包括光源201、匀光装置202、光调制器203、光引导装置204和全反射棱镜206。本实施例中，光调制器203为反射式液晶光阀。与实施例四相比，本实施例的区别仅在于，将偏振分光元件2041替换为全反射棱镜206。

本实施例中，全反射棱镜206引导匀光装置202的出射光斜入射到光调制器203的入射面，并引导光调制器203出射的调制光2和非调制光3沿同一方向从全反射棱镜中出射。而后，从光调制器203出射的调制光和非调制光被光引导装置204依照偏振态不同分为两束光，并将其中的非调制光3引导至匀光装置202的光入射面。

在本实施例中，匀光装置的出射光进入全反射棱镜206后，以大角度入射到全反射棱镜与空气的界面，被全反射后斜入射到反射式液晶光阀203。与实施例四相同，经光调制器调制的光沿不同于入射光方向出射，即调制光和非调制光沿同一方向进入全反射棱镜，并以小角度入射到全反射棱镜与空气的界面，透射过全反射棱镜。当然，本实施例同样可以在其他实施方式中，使得入射光以小角度入射并透射过全反射棱镜到达反射式液晶光阀，出射光以大角度入射全反射棱镜的全反射面，并被反射后出射。

实施例六

请参见图5，图5为本发明的实施例六的显示系统的结构示意图。显示系统包括光源301、匀光装置302、光调制器303和光引导装置304。

其中，光源301用于出射第一光1，匀光装置302包括光入射面，用于接收第一光1并使其均匀化。光调制器303用于接收至少部分匀光装置302出射的光并根据图像信号对入射于光调制器303的光进行调制，并出射调制光2和非调制光3。光引导装置304用于将至少部分光调制器303出射的非调制光3引导至匀光装置302的光入射面，使其经匀光装置302均匀化后再次进入光调制器303。

在本实施例中，光调制器303为数字微镜设备，数字微镜设备的处于开状态的微镜单元将至少部分入射于该数字微镜设备的光反射形成作为调制光2，数字微镜设备的处于关状态的微镜单元将至少部分入射于该数字微镜设备的光反射形成非调制光3，调制光2与非调制光3沿不同方向从数字微镜设备中出射。

在本实施例中，由于数字微镜设备仅通过控制其中的微镜处于开状态和关状态的时间占比来控制该微镜对应像素的明暗，因此入射于数字微镜设备的光是否具有偏振态不影响数字微镜设备的正常工作。因此，入射光既可以是非偏振光，也可以是偏振光，调制光与非调制光也既可以是非偏振光，也可以是任意偏振态的偏振光。

在本实施例中，光源301为激光光源，如激光二极管光源、激光二极管阵列光源或激光器光源。该光源具有光学扩展量小的特点，使得第一光在进入匀光装置时具有较小的光斑和较小的光发散角，并使得光经过一系列光学元件入射到光调制器时保持较小的光学扩展量，避免了大量的光因发散角大而无法被利用，提高了光利用率。如果采用其他光源，如灯泡光源、LED光源，其光学扩展量远大于激光光源的光学扩展量，为使入射到匀光装置的光斑满足入射面的大小，将会扩大光的发散角，这将使得大量的光无法被光调制器利用而在光调制器的有效光学面之外被吸收转换成热量。本实施例中，将第一光与非调制光通过几何合光的方式合成一束光，本就增大了匀光装置的截面积，使得光学扩展量扩大，如果使用光学扩展量大的光源，将进一步减小光利用率；而本实施例采用小光学扩展量的激光光源，即使将回收利用的非调制光与第一光几何合光，仍能保证入射到光调制器的光具有较小的光学扩展量。

当然，在对光利用率要求不高的环境下，也可以采用灯泡或LED光源作为显示系统的光源。在本发明的光回收技术方案下，即使采用该类光源，也能够相对于不采用本发明的技术方案具有更高的光利用率。

在本实施例中，第一光为蓝光激光，蓝光作为投影、显示的基色光，既可以单独作为基色光，也可以作为产生红绿基色光的激发光。当然，第一光也可以为紫外光，紫外光能够激发不同的荧光粉产生红绿蓝三基色光。在本发明的其他实施例中，第一光也可以为白光，白光经过光调制器调制后可以经过滤光装置或分色棱镜分成红绿蓝三基色光。

本实施例中，如图5所示，匀光装置302包括复眼透镜对。该复眼透镜对的入射面包括互相不重叠的第一区域和第二区域，第一光1从第一区域入射进入复眼透镜对，而非调制光3从第二区域入射进入复眼透镜对。由于第一区域与第二区域互相不重叠，该技术方案可以适用于任何第一光1与非调制光3波长相同或不同、偏振态相同或不同的情形。

在本实施例中，第一区域和第二区域在匀光装置的光入射面并排排列。在其他实施方式中，第一区域和第二区域也可以依照其他的排列方式。例如，将第二区域设置于第一区域的周围，第一区域与第二区域呈“回”字型分布，使得第一区域位于匀光装置的中央，该分布方式可以避免第一光从匀光装置出射后具有一定的偏转角，进而便于后续光学器件的角度摆放，而且具有更好的均匀性。

在本实施例中，第一区域与第二区域的面积比为1:1～1:5。在匀光装置102的截面积不变的情况下，第一区域面积小于第二区域面积能够使得显示系统具有更高的光利用率。这是由于第一区域与第二区域在原理上是光学扩展量合光，对于相同的非调制光，第二区域面积越大，非调制光对应的发散角越小，第二区域面积越小，非调制光对应的发散角越大，而过大的发散角的光是无法被利用的，因此第二区域所占的比例决定了光回收利用的效率。此外，受限于显示系统的体积，匀光装置的体积不能过大，因此第一区域的大小也要满足光源出射光的光学扩展量要求，第一区域不能无限减小，否则第一光的发散角也会扩大到使第一光的利用率下降。

当然，在本实施例的其他实施方式中，匀光装置也可以包括积分棒。具体可参照本发明实施例二中关于匀光装置为积分棒的技术方案及其扩展技术方案。

在本实施例中，光引导装置304包括由多个反射镜组成的反射镜组和由多个中继透镜组成的透镜组。本发明保护的技术方案不限于实施例中数量或种类的反射镜和中继透镜，反射镜可以是平面反射镜或曲面反射镜，中继透镜也可以是凸透镜或凹透镜。本实施例中，光引导装置304将非调制光引导至匀光装置的入射面之前，并使其在入射到匀光装置的光入射面之前转变为与第一光平行的光。在其他实施方式中，光引导装置还可以用于控制非调制光在匀光装置的光入射面的入射角度，使得该非调制光与第一光在匀光装置的光入射面的入射角度分布连续。

本实施例中，合光方式采用如实施例一和实施例二的几何合光(光学扩展量合光)的方式。当然，本实施例的其他实施方式中也可以采用实施例三的偏振合光的技术方案，在该技术方案中第一光为偏振光，光引导装置包括偏振合光元件，位于光源与匀光装置之间的光路上，且非调制光与第一光分别从不同的方向入射于偏振合光元件，并合为一束光入射于匀光装置的光入射面。在该实施方式中，由于光调制器的数字微镜设备不需要对入射光的偏振态限定，因此一般地，调制光与非调制光的偏振态保持与第一光的偏振态相同。由于偏振合光需要两侧的入射光的偏振态不同，因此光引导装置进一步包括第二偏振转换元件，用于调节非调制光的偏振态，经调节后的非调制光的偏振态与第一光的偏振态在入射到偏振合光元件时不同，从而实现偏振合光。

本实施例中，可以进一步包括全反射棱镜用于引导匀光装置出射的光入射到数字微镜设备，利用全反射棱镜可以放大数字微镜设备的入射光与出射光、调制光与非调制光之间的夹角，便于光路设计。

本实施例六相对于前述各实施例的优势在于，不需要对光的偏振态进行严格的限定，可以减少偏振光学元件的数量。但是其缺点在于，数字微镜的开状态与关状态的出射光(即调制光与非调制光)夹角较小，不易将其区分。

在本发明中，显示系统可以为电视机设备、投影机设备、拼墙设备、舞台电脑灯设备、图像投影灯设备等任何投影或显示出单色或多色图像的设备。

在上述各实施例中，进一步的，显示系统还包括位于光调制器的出射光路上的投影镜头，用于将图像投影出去。

在上述各实施例中，进一步的，光引导装置包括光回收率控制装置(未示出)，用于控制光调制器出射的非调制光到达匀光装置的光入射面的比率。由于本发明通过将非调制光重新分配到调制光对应的显示图像中，因此相较于不采用本发明的方案，本发明的显示图像亮度提高。由于每一帧图像的平均亮度不同，每一帧图像内的各像素的亮度分布不同，可能导致图像前后两帧的某些像素的亮度差别过大。因此，通过光回收率控制装置减少图像中过亮的像素点的亮度，能够避免亮度变化过于剧烈，缓解视觉疲劳。

光回收率控制装置可以是个透过率可调的装置(例如对于偏振光可以是个液晶光阀)，通过控制透过率，可以增加或减少回收到匀光装置的光入射面的非调制光的多少。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (20)

1.一种显示系统，其特征在于，包括:

光源，用于出射第一光；

匀光装置，包括光入射面，用于接收所述第一光，并使其均匀化；

光调制器，用于接收所述匀光装置出射的至少部分光并根据图像信号对入射于该光调制器的至少部分光进行调制，并出射调制光和非调制光；

光引导装置，用于将所述光调制器出射的至少部分非调制光引导至所述匀光装置的光入射面，使其经所述匀光装置后进入所述光调制器。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述调制光为第一偏振态的光，所述非调制光为第二偏振态的光，第一偏振态与第二偏振态为偏振方向不同的两种偏振态，所述光引导装置用于将所述光调制器出射的调制光与非调制光分别引导向不同的方向；

所述入射于光调制器的光为第三偏振态的光，第三偏振态与第一偏振态或第二偏振态相同。

3.根据权利要求2所述的显示系统，其特征在于，还包括第一偏振转换元件，位于所述匀光装置与所述光调制器之间的光路上，用于将所述匀光装置的出射光在入射到所述光调制器之前转换为第三偏振态的光。

4.根据权利要求2所述的显示系统，其特征在于，所述光调制器为透射式液晶光阀，包括用于调节入射到所述光调制器的光的偏振态的液晶层，包括相对的入射面和出射面。

5.根据权利要求4所述的显示系统，其特征在于，所述入射于光调制器的光沿垂直于所述光调制器的入射面的方向入射，经所述光调制器调制后产生所述调制光和所述非调制光；

所述调制光与所述非调制光从所述光调制器的出射面沿同一方向出射，所述第三偏振态与所述第二偏振态相同。

6.根据权利要求2所述的显示系统，其特征在于，所述光调制器为反射式液晶光阀。

7.根据权利要求6所述的显示系统，其特征在于，所述光引导装置包括偏振分光元件，用于透射第一偏振态和第二偏振态之一的偏振态的光，并反射另一偏振态的光；

所述偏振分光元件引导所述匀光装置的出射光斜入射到所述光调制器的入射面，并将所述光调制器出射的调制光和非调制光分别引导向不同的方向。

8.根据权利要求6所述的显示系统，其特征在于，包括全反射棱镜，所述全反射棱镜引导所述匀光装置的出射光斜入射到所述光调制器的入射面，并引导所述光调制器出射的调制光和非调制光沿同一方向从所述全反射棱镜中出射。

9.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述光调制器为数字微镜设备，所述数字微镜设备的处于开状态的微镜单元将至少部分所述入射于该数字微镜设备的光反射形成作为所述调制光，所述数字微镜设备的处于关状态的微镜单元将至少部分所述入射于该数字微镜设备的光反射形成非调制光，所述调制光与所述非调制光沿不同方向从所述数字微镜设备中出射。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述匀光装置包括复眼透镜对或积分棒。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述匀光装置的光入射面包括互相不重叠的第一区域和第二区域，所述第一光从所述第一区域入射到所述匀光装置，所述非调制光经所述光引导装置引导后从所述第二区域入射到所述匀光装置。

12.根据权利要求11所述的显示系统，其特征在于，所述匀光装置包括复眼透镜对，所述第一区域与所述第二区域的面积比为1:1～1:2。

13.根据权利要求11所述的显示系统，其特征在于，所述第一光与所述非调制光的偏振态相同。

14.根据权利要求1至9中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述第一光为偏振光，所述光引导装置包括偏振合光元件，位于所述光源与所述匀光装置之间的光路上，且所述非调制光与所述第一光分别从不同方向入射于所述偏振合光元件，并合为一束光入射于所述匀光装置的光入射面。

15.根据权利要求14所述的显示系统，其特征在于，所述光引导装置包括第二偏振转换元件，用于调节所述非调制光的偏振态，使经调节后的非调制光的偏振态与所述第一光的偏振态在入射到所述偏振合光元件时不同。

16.根据权利要求1至9中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述光引导装置包括由多个反射镜组成的反射镜组和由多个中继透镜组成的透镜组；

所述光引导装置用于将所述非调制光在入射到所述匀光装置的光入射面之前转变为与所述第一光平行的光；或者

所述光引导装置用于控制所述非调制光在所述匀光装置的光入射面的入射角度，使得该非调制光与所述第一光在所述匀光装置的光入射面的入射角度分布连续。

17.根据权利要求1至9中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述光源为激光光源，所述第一光为蓝光或紫外光。

18.根据权利要求1至9中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述第一光为白光。

19.根据权利要求1至9中任一项所述的显示系统，其特征在于，还包括位于所述光调制器的出射光路上的投影镜头。

20.根据权利要求1至9中任一项所示的显示系统，其特征在于，所述光引导装置包括光回收率控制装置，用于控制所述光调制器出射的非调制光到达所述匀光装置的光入射面的比率。