CN112147835B - 光学引擎系统及显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学引擎系统以及显示设备，所述光学引擎系统包括：第一调制装置，用于对第一光路的第一线偏振光进行调制，得到第一调制光；第二调制装置，用于对第二光路的第二线偏振光进行调制，得到第二调制光，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光具有同一偏振态；及合光棱镜，用于引导所述第一调制光与所述第二调制光沿同一光路传输并得到投影光；所述第一调制光、所述第二调制光以及所述投影光所在的光路位于同一平面内。本发明提供的光学引擎系统与显示设备中，所述第一线偏振光与所述第二线偏振光在合色的过程中维持了较好的线偏振态，合色效率较高。

Description

光学引擎系统及显示设备

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种光学引擎系统及显示设备。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明具体实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

传统的电影放映机通常使用大尺寸的三片式空间光调制器的光学引擎系统。三片式空间光调制器的光学引擎系统通常使用菲利普棱镜进行分色合色。如图1，光学引擎系统10中的合光棱镜P1包括第一棱镜S11与第二棱镜S12，照明光经过第一棱镜S11以及第二棱镜S12与空气间的镀膜层进行分色，经过空间光调制器N1、N2、N3的调制后再经过镀膜层合色。由于空间光调制器N1、N2、N3的入射照明光和出射投影光束具有一定的发散角度，通常为+/-12度，因此不同角度经过镀膜层的透过率曲线会有差异(偏移)，且透过率曲线的偏移量会随入射角度的增大而增大。如图2和图3所示，由于照明光在镀膜层的入射角比较小，因此镀膜层透过率曲线锐利，过渡区域较窄，且谱线随入射角度的偏移量较小，所以这个合光棱镜P1的分光合光效率较高。

如图1所示，第一棱镜S11和第二棱镜S12表面镀二向色介质膜，光线在入射第一棱镜S11和第二棱镜S12时实现颜色的分离和混合。由于光线入射第一棱镜S11和第二棱镜S12时与法线n的夹角分别为入射角x1与入射角x2，入射角x1与入射角x2都比较小，入射角x1通常为30度，入射角x2通常为10度左右，均小于棱镜基材(玻璃材料)的临界角，因此第一棱镜S11与第二棱镜S12间的空气隙即可满足分色合色；且由于第一棱镜S11以及第二棱镜S12的介质与空气介质的折射率差较大，镀膜层的设计难度较小，且镀膜层透过率随入射角度的差异较小，故自然光的照明光经过菲利普棱镜时的分色合色的效率较高。因此菲利普棱镜是目前3片式空间光调制器普遍使用的合色方案，适用于影院放映机。

然而，镀膜层的制作过程中会引入制作公差，即镀膜层的透过率曲线与理想的透过率曲线有差距，并且，由于镀膜层的透过率曲线随入射照明光的入射角度的增大产生的偏移量较大，因此镀膜层在大角度合光分光的过程中光能损失较大。

发明内容

本发明第一方面提供一种光学引擎系统，包括：

第一调制装置，用于对第一光路的第一线偏振光进行调制，得到第一调制光；

第二调制装置，用于对第二光路的第二线偏振光进行调制，得到第二调制光，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光具有同一偏振态；及

合光棱镜，用于引导所述第一调制光与所述第二调制光沿同一光路传输并得到投影光；

所述第一调制光、所述第二调制光以及所述投影光所在的光路位于同一平面内。

本发明第二方面提供一种显示设备，包括如上所述的光学引擎系统。

本发明提供的光学引擎系统与显示设备中所述合光棱镜引导所述第一调制光与所述第二调制光在同一平面内合色，且所述第一调制装置和所述第二调制装置出射光的平面与合光棱镜的合光平面位于同一平面内，使得所述第一调制光与所述第二调制光在合色的过程中原有的线偏振态得到较好的维持，合色效率较高，能够实现较高的3D显示亮度与效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例/方式技术方案，下面将对实施例/方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例/方式，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为应用于三片式空间光调制器的光学引擎系统的结构示意图。

图2为如图1所示的光学引擎系统中的合光棱镜的一镀膜层的光线透过率曲线。

图3为如图1所示的光学引擎系统中的合光棱镜的另一镀膜层的光线透过率曲线。

图4为本发明第一实施方式提供的显示设备的结构示意图。

图5为图4所示的合光棱镜的侧视结构示意图。

图6为图4所示的合光棱镜中的合光镀膜层的光线透过率曲线。

图7为本发明第二实施方式提供的显示设备的结构示意图。

图8为本发明第三实施方式提供的显示设备的结构示意图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅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做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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明提供了一种高效的光学引擎系统以及包括该光学引擎系统的显示设备，显示设备可以是影院放映机、工程机或高端家用影院。本发明提供的光学引擎系统既能实现产品的紧凑型与小型化，又能够达到较高的亮度，使产品具有更高的性价比。

请参阅图4，本实施方式提供的显示设备100包括光源110与光学引擎系统120，其中，光源110用于向光学引擎系统120提供照明光a，照明光a为非偏振光，即照明光a为包括多种偏振态的光线。光学引擎系统120用于根据图像数据对照明光a进行调制，以得到用于投影的投影光。

进一步地，光源110用于发出照明光a，本实施方式中，照明光a时序改变颜色，比如照明光a包括时序出射的红、绿、蓝色光，并且包括激光与荧光的至少一种。在一种实施方式中，照明光a包括时序出射的黄、蓝色光，在一种实施方式中，照明光a包括时序出射的红、绿、黄或橙、蓝色光。在一种实施方式中，照明光a为白色光。

具体地，光源110包括激发光源与波长转换元件，激发光源用于发出激发光，激发光可以为蓝色激光。波长转换元件设置有波长转换材料，波长转换材料在激发光的激发下产生照明光a中的红色荧光与绿色荧光，包括激光的激发光经过散射后作为照明光a中的蓝色基色光从光源110出射。

在本实施方式中，光源110中还包括补充光源，补充光源用于发出红色激光与绿色激光中的至少一种，以与红色荧光、绿色荧光合光后作为照明光a中的红色基色光与绿色基色光，从而增加显示设备100的显示亮度和扩展显示设备100的色域范围。

请一并参阅图4与图5，光学引擎系统120包括线偏振光转换器(PCS)123、第一调制装置M1、第二调制装置M2与合光棱镜P。其中，PCS 123用于将光源110出射的照明光a转换为具有单一线偏振态的线偏振光b；第一调制装置M1用于对由线偏振光b得到沿第一光路传输的第一线偏振光c1进行调制，得到第一调制光d1，第一光路的传输方向为图4中由下向上的方向，即Y轴的正方向；第二调制装置M2，用于对由线偏振光b得到的沿第二光路传输的第二线偏振光c2进行调制，得到第二调制光d2，第二光路的传输方向为图4中由左向右的方向，即Z轴的正方向；合光棱镜P，包括两个棱镜，分别为第一棱镜S1以及第二棱镜S2，第一棱镜S1与第二棱镜S2之间设置有胶合层H，胶合层H中包括胶体以粘接第一棱镜S1与第二棱镜S2，如图6所示，第二棱镜S2与胶合层H粘接的表面设置有合光镀膜层G。在其他实施方式中，第一棱镜S1及/或第二棱镜S2与胶合层H粘接的表面设置有合光镀膜层G。第一调制光d1与第二调制光d2经过合光镀膜层G的引导后沿同一光路传输，并得到用于投影的投影光。

线偏振光b在传播方向上，光矢量只沿一个固定的方向振动，因此光矢量端点的轨迹为一直线，线偏振光b可以为p光或者s光。由于第一线偏振光c1与第二线偏振光c2的线偏振态相同，比如均为p光或s光，第一线偏振光c1可以为一种颜色的线偏振光b，第二线偏振光c2可以为线偏振光b中的其他光线，比如，第一线偏振光c1包括线偏振光b中的红色光，第二线偏振光c2包括线偏振光b中的蓝色光与绿色光。或者，第一线偏振光c1包括线偏振光b中的红色光和蓝色光，第二线偏振光c2包括线偏振光b中的绿色光。或者，第一线偏振光c1包括线偏振光b中的红色光和部分蓝色光，第二线偏振光c2包括线偏振光b中的绿色光和其余部分蓝色光。

如图4所示，第一调制光d1与第二调制光d2在合光镀膜层G处合光，合光镀膜层G实际为合光棱镜P的合光面。第一调制光d1与第二调制光d2入射至合光镀膜层G的入射角x均为45度，合光棱镜P的两个棱镜的材质均为玻璃，该入射角x大于光线由玻璃至空气的全反射角，换句话说，第一调制光d1入射至第一棱镜S1后不会从第一棱镜S1与空气之间的分界面出射，而是在第一棱镜S1与空气的分界面发生全内反射，第一调制光d1会被限制在第一棱镜S1内部。

全反射角与光线经过的两种介质的折射率有关，为避免第一调制光d1在合光棱镜P处发生全反射，利用胶合层H将第一调制光d1预期穿过的第一棱镜S1以及第二棱镜S2的表面相互胶合，使得第一调制光d1从第一棱镜S1出射，经过胶合层H与合光镀膜层G后入射至第二棱镜S2。

由于第一棱镜S1与第二棱镜S2之间设置有相互邻接的胶合层H与合光镀膜层G，第一调制光d1依次经过胶合层H与合光镀膜层G后与第二调制光d2合光，合光镀膜层G设计和制作都比较困难，并且由于第一调制光d1与第二调制光d2的入射角度比较大，透过率曲线对于不同入射角的偏移量更大，合光棱镜P的合光效率降低。特别对于自然光而言，由于s光和p光两种偏振态的镀膜曲线会彼此分离，并且光线入射角变化时两种镀膜曲线分离量更大，因此自然光照明光的光学引擎系统，如果采用这种的45度合光方式，光效损失十分严重，很难做到高流明的产品规格。但45度棱镜的合光方式能够实现较短的合光光程，较为容易实现产品结构紧凑和小型化，对于镜头设计和成本具有益处。

合光棱镜P中的合光镀膜层G用于根据入射光线的波长范围来调整光线的传输方向，具体地，合光镀膜层G为二向色分光膜，以引导第一调制光d1与第二调制光d2沿相同光路传输，具体地，本实施方式中，该二向色分光膜用于透射红色光，反射绿色光与蓝色光。可以理解的是，该二向色分光膜可以根据需要灵活设置。在一种实施方式中，合光棱镜P中的二向色分光膜用于透射红色光与部分蓝色光，反射绿色光与部分蓝色光。相应地，第一调制装置M1用于分时调制红色光与蓝色光，第二调制装置M2用于分时调制绿色光与蓝色光。

请参阅图6，为合光棱镜P中的合光镀膜层G的二向色分光膜的透过率曲线，图中用不同的线型表示具有单一线偏振性的光线的透过率与波长曲线，以及自然光(s光+p光)的透过率与波长曲线。从图中可以看出，自然光的透过率曲线的过渡区域较宽，曲线随入射角度的偏移量较大，但具有单一线偏振性的光线的透过率曲线则较为锐利和紧凑，曲线随入射角度的偏移量较小，因此照明光a转换为线偏振光b后，合光棱镜P处的合色效率较高，且受入射角度的影响较小。

另外，由于本发明的光学引擎系统120对偏振光的保偏效率较高，即入射到光学引擎系统的线偏振光在经过透射、反射以及调制后，出射的调制光的偏振态与入射时的线偏振光的偏振态基本相同，在用于3D显示时，相对于2D模式下，光通量不发生变化，实现较高的3D效率。

本实施方式中，第一调制装置M1与第二调制装置M2均为数字微镜器件(DigitalMicro-mirror Device，DMD)，在一种实施方式中，第一调制装置M1与第二调制装置M2还可以是液晶或硅基液晶光调制器件。

如图4所示，光学引擎系统120还包括引导元件126，用于根据波长范围，将线偏振光b分色为沿第一光路传输的第一线偏振光c1与沿第二光路传输的第二线偏振光c2。进一步地，引导元件126用于反射线偏振光b中的部分颜色光得到第一线偏振光c1，并透射线偏振光b中的其余光线得到第二线偏振光c2。具体地，引导元件126可以为二向色片，用于反射红色光，透射绿色光与蓝色光，并且不改变入射线偏振光b的线偏振态。第一光路上的第一线偏振光c1入射至第一调制装置M1，第二光路上的第二线偏振光c2入射至第二调制装置M2。

光学引擎系统120还包括第一全内反射(TIR)棱镜T1以及第二全内反射(TIR)棱镜T2，其中，第一TIR棱镜T1用于引导引导元件126出射的第一线偏振光c1入射至第一调制装置M1，以及用于引导第一调制装置M1出射的第一调制光d1入射至合光镀膜层G；第二TIR棱镜T2用于引导引导元件126出射的第二线偏振光c2入射至第二调制装置M2，以及用于引导第二调制装置M2出射的第二调制光d2入射至合光镀膜层G。

如图4所示，纸面所在平面为yoz平面，第一调制光d1、第二调制光d2以及投影光(合光棱镜P出射的光线)所在的光路位于同一平面内，即yoz平面内。因此线偏振光b的线偏振态在合光棱镜P合色的过程中得到较高的维持率，正由于光学引擎系统120较好的保偏性，线偏振光b在合光棱镜P处合色的透过率曲线才能保持较小的偏移量，有利于提高合光棱镜P的合光效率。在一种实施方式中，合光棱镜P还包括其他的入射光线，合光棱镜P的入射光线与出射光线所在的光路位于同一平面，从而提高合光棱镜P的合光效率。

进一步地，第一线偏振光c1、第二线偏振光c2、第一调制光d1、第二调制光d2以及合光棱镜P出射的投影光所在的光路均位于同一平面内，即yoz平面内。从而线偏振光b的线偏振态在引导元件126处分色、第一调制装置M1对光进行调制的过程中、第二调制装置M2对光进行调制的过程中以及合光棱镜P合色的过程中均得到较高的维持率，正由于光学引擎系统120较好的保偏性，线偏振光b在引导元件126与合光棱镜P处分色合色的透过率曲线才能保持较小的偏移量，并且分色合色的截止波长保持一致，有利于提高光学引擎系统120的合光效率。在一种实施方式中，引导元件126还包括其他的入射光线与出射光线，引导元件126的入射光线与出射光线所在的光路位于同一平面，从而提高引导元件126的分光效率。

具体地，可以通过调节引导元件126、第一TIR棱镜T1、第二TIR棱镜T2、第一调制装置M1、第二调制装置M2以及合光棱镜P的位置以及出光角度，使得第一调制光d1、第二调制光d2以及合光棱镜P出射的投影光所在的光路均位于同一平面内，或者第一线偏振光c1、第二线偏振光c2、第一调制光d1、第二调制光d2以及合光棱镜P出射的投影光所在的光路均位于同一平面内。可以理解的是，在其他实施方式中，第一调制光d1、第二调制光d2以及合光棱镜P出射的投影光所在的光路均位于不同于yoz平面的一个平面内，或者第一线偏振光c1、第二线偏振光c2、第一调制光d1、第二调制光d2以及合光棱镜P出射的投影光所在的光路均位于不同于yoz平面的一个平面内。

如图4所示，光学引擎系统120还包括匀光器件，在本实施方式中，匀光器件为双复眼透镜122，照明光a经过双复眼透镜122入射至线偏振光转换器123，双复眼透镜122用于对照明光a进行匀光，同时还用于对照明光a整形，比如扩大照明光a的发散角，使得照明光a在线偏振光转换器123上形成的光斑面积较大。

光学引擎系统120还包括中继透镜121以及中继透镜124，光源110出射的照明光a依次经过中继透镜121、双复眼透镜122、线偏振光转换器123、中继透镜124之后入射至引导元件126，可以理解的是，光学引擎系统120还可以包括其他必要的光学元件。

在一种实施方式中，光源110出射的照明光具有单一线偏振态，则光源110出射的照明光为线偏振光，并在光学引擎系统120中省略设置线偏振光转换器123。

本实施方式提供的光学引擎系统120在维持第一调制光d1与第二调制光d2在合光棱镜P处以45度入射至合光镀膜层G方式不变的基础上，使用具有单一线偏振态的照明光a(线偏振光b)，并在光学引擎系统120的光路的设计上，使线偏振光b在二维平面yoz内分色合色，使得线偏振光b在传输的过程中维持较好的线偏振态，从而提高合光棱镜P合光的效率。另外，如果照明光a中的荧光在引导元件126处分光、在合光棱镜P处合光时损失较多，则荧光本身分离出来的红光和绿光的色坐标较好，为了达到DCI-P3的色域标准，则照明光a中补充的激光量就会很少，由于荧光损失比较多，补充的激光比较少，很难达到整机的亮度指标。本实施方式提供的光学引擎系统120保证了照明光a在光路中分光合光较高的效率，因此有利于提高显示设备100出射投影光的亮度，在用于3D显示时，相对于2D模式下，光通量不发生变化，实现较高的3D效率。

请参阅图7，在第二实施方式中，显示设备200的光学引擎系统220还包括反射元件225，具体地，线偏振光转换器223出射的线偏振光b经过反射元件225的反射后入射至引导元件226。反射元件225可以包括高反介质膜反射镜或金属膜反射镜，使得线偏振光b的光路在yoz平面内反射折叠。线偏振光b在反射元件225处反射时，线偏振光b的偏振方向能够平行或垂直于反射元件225的反射面，经过反射后线偏振光b线偏振态仍然能够维持不变，保证了后续的分色合色效率。因此，在保证光学引擎系统220内传输光线的线偏振性的条件下，反射元件225的加入能够使得光学引擎系统220的体积和尺寸可以灵活变换，第一线偏振光c1与第二线偏振光c2进入第一调制装置M1和第二调制装置M2的角度和光斑可以得到调节和矫正。在本实施方式中，反射元件225的入光光路与出光光路上均设置有中继透镜。

由于引导元件226接收到的线偏振光b的入射面相较于引导元件126不同，因此，本实施方式中，引导元件226用于透射部分线偏振光b得到第一线偏振光c1，反射部分线偏振光b得到第二线偏振光c2，具体地，引导元件226用于透射红色光，反射绿色光与蓝色光。本实施方式提供的高效的光学引擎系统220既能实现产品的紧凑型与小型化，又能够达到较高的亮度。

请参阅图8，相较于第二实施方式提供的显示设备200，第三实施方式中，显示设备300的光学引擎系统320中，利用光学积分棒322代替光学引擎系统220中的双复眼透镜222。具体地，照明光a经过线偏振光转换器323后得到线偏振光b，线偏振光b经过光学积分棒322入射至反射元件325，光学积分棒322对线线偏振光b进行均匀化，同时可以维持线偏振光b的线偏振性。

需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，各个实施方式中的各具体方案也可以相互适用，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个装置也可以由同一个装置或系统通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

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限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种光学引擎系统，其特征在于，包括：

第一调制装置，用于对第一光路的第一线偏振光进行调制，得到第一调制光；

第二调制装置，用于对第二光路的第二线偏振光进行调制，得到第二调制光，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光具有同一偏振态；及

合光棱镜，用于引导所述第一调制光与所述第二调制光沿同一光路传输并得到投影光，所述合光棱镜包括第一棱镜和第二棱镜，以及设置于所述第一棱镜与所述第二棱镜之间的合光镀膜层；

所述第一调制光、所述第二调制光以及所述投影光所在的光路位于同一平面内。

2.如权利要求1所述的光学引擎系统，其特征在于，所述合光棱镜包括合光镀膜层，所述合光镀膜层用于根据入射光线的波长范围来调整光线的传输方向。

3.如权利要求2所述的光学引擎系统，其特征在于，还包括引导元件，所述引导元件用于根据波长范围，将接收到的线偏振光分为沿所述第一光路传输的第一线偏振光与沿所述第二光路传输的第二线偏振光。

4.如权利要求3所述的光学引擎系统，其特征在于，所述引导元件用于反射所述线偏振光中的部分颜色光得到所述第一线偏振光，并透射所述线偏振光中的其余光线得到所述第二线偏振光。

5.如权利要求3所述的光学引擎系统，其特征在于，还包括：

第一全内反射棱镜，设置于所述第一调制装置与所述合光棱镜之间，用于引导沿所述第一光路传输的第一线偏振光入射至第一调制装置，并引导所述第一调制装置出射的第一调制光入射至所述合光棱镜；

第二全内反射棱镜，设置于所述第二调制装置与所述合光棱镜之间，用于引导沿所述第二光路传输的第二线偏振光入射至第二调制装置，并引导所述第二调制装置出射的第二调制光入射至所述合光棱镜。

6.如权利要求5所述的光学引擎系统，其特征在于，所述第一线偏振光、所述第二线偏振光、所述第一调制光、所述第二调制光以及所述投影光所在的光路均位于同一平面内。

7.如权利要求6所述的光学引擎系统，其特征在于，所述引导元件、所述第一全内反射棱镜、所述第二全内反射棱镜与所述合光棱镜的位置可调，通过调整所述引导元件、所述第一全内反射棱镜、所述第二全内反射棱镜与所述合光棱镜的位置，使得所述引导元件、所述第一全内反射棱镜、所述第二全内反射棱镜以及所述合光棱镜的入射光线以及出射光线所在的光路均位于同一平面内。

8.如权利要求1所述的光学引擎系统，其特征在于，还包括线偏振光转换器，用于将入射的照明光转换为用于得到所述第一线偏振光与所述第二线偏振光的线偏振光。

9.如权利要求8所述的光学引擎系统，其特征在于，还包括匀光器件，所述照明光经过所述匀光器件匀光后入射至所述线偏振光转换器。

10.如权利要求9所述的光学引擎系统，其特征在于，所述匀光器件包括双复眼透镜或光学积分棒。

11.如权利要求3-7任意一项所述的光学引擎系统，其特征在于，还包括反射元件，用于将所述线偏振光引导至所述引导元件。

12.一种显示设备，其特征在于，包括如权利要求1-11任意一项所述的光学引擎系统。

Images