CN2685930Y - 硅基微晶单片式光学引擎架构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种硅基微晶单片式光学引擎架构，主要包括彩色LED光源(1)、阵列光源合成光学系统(4)、复眼透镜阵列(2)、聚光镜(5)、双折射偏振分光镜(3)和硅基微晶面板(7)，彩色LED光源(1)与复眼透镜阵列(2)之间放置阵列光源合成光学系统(4)，复眼透镜阵列(2)之后放置聚光镜(5)，双折射偏振分光镜(3)的一折射面放置一硅基微晶面板(7)，1/4波长延迟器(6)放置在双折射偏振分光镜(3)与硅基微晶面板(7)之间。本实用新型具有高对比度、高亮度、长寿命、紧凑型的特点。

Description

硅基微晶单片式光学引擎架构

                        技术领域

本实用新型涉及一种微显示器应用系统中的光学引擎架构，用于硅基微晶(LCOS)微显示器的高性能光学图像信号读出。

                        背景技术

微显示器(Microdisplay)技术之关键是将显示电视图像或计算机图像的全部像素集成至一片集成电路硅片上。微显示器的最大特点之一便是制得很小、便于携带及能产生出高清晰度大屏幕图像的效果。硅基微晶(LCOS)微显示技术以其高分辨率、高亮度和低成本被投影显示业界看好，称为投影技术的明日之星。在硅基微晶的多项技术中，以硅基微晶面板和光学引擎架构技术最为关键。LCOS光学引擎是由光源模块、LCOS面板、分光合光读出系统等组成，主要有三片式和单片式两种引擎结构，其中三片式结构具有较高的光学效率，又具备高画质的特性，因此主要是朝高档的专业用途发展，但其体积较大、成本也较高；而单片式引擎则具有结构简单、成本较低、易实现紧凑型引擎的优点，但引入色轮(color wheel)后，亮度明显降低，三原色调制速度较慢，对LCOS引擎中的关键读出偏振分光镜(PBS)要求很高，增加了LCOS引擎的技术难度。

目前LCOS光学引擎中大多采用投影灯作为光源，如美国专利No.6508571，No.5829858和中国专利No.01279602.6，投影灯的寿命大约为一年，所以初投入市场的LCOS背投电视受到了消费者的质疑，被成为目前LCOS投影的技术瓶颈。另外LCOS光学引擎通常用方棒均化技术实现微显示器的均匀照明，如美国专利No.6508571，No.5829858和中国专利No.02217919.4，所以引擎体积较大，不易实现紧凑化。除此以外，目前所有的LCOS光学引擎，如以上提到的专利，都采用基于介质偏振分光膜的普通偏振分光镜，实用型介质膜偏振分光镜只能达到1500∶1的对比度，而且宽带(400nm-700nm)偏振分光镜要达到1000∶1以上的对比度难度还较大。所以LCOS光学引擎对比度的进一步提高也存在技术瓶颈。

                        发明内容

本实用新型目的在于克服现有硅基微晶(LCOS)投影系统中所存在的引擎结构复杂、对比度低、投影灯寿命短、相应速度慢、功耗高且需强风散热等技术瓶颈，而提供一种硅基微晶单片式光学引擎架构，该引擎架构基于双折射晶体偏振读出系统和高功率彩色发光二极管LED阵列，具有高对比度、高亮度、长寿命、紧凑型的特点。

实现本实用新型目的高对比度硅基微晶单片式光学引擎架构，含有双折射晶体偏振读出系统，主要包括照明系统和硅基微晶LCOS读出投影系统，照明系统包括彩色LED光源1、阵列光源合成光学系统4、复眼透镜阵列2、聚光镜5；硅基微晶LCOS读出投影系统主要包括双折射偏振分光镜3和硅基微晶面板7，其特征在于：彩色LED光源1与复眼透镜阵列2之间放置阵列光源合成光学系统4，复眼透镜阵列2之后放置聚光镜5，双折射偏振分光镜3的反射面放置一硅基微晶面板7，其中阵列中各复眼透镜的光轴互相平行，并且第一列复眼透镜的焦点与第二列相应的复眼透镜中心重合，阵列中各复眼透镜的光轴并与聚光镜5光轴平行，照明系统光轴与硅基微晶LCOS读出投影系统光轴平行，双折射偏振分光镜3的入射光主轴与出射光主轴互相垂直。

所述硅基微晶LCOS读出投影系统还包括1/4波长延迟器6，放置在双折射偏振分光镜3与硅基微晶面板7之间。

阵列光源合成光学系统4采用透镜阵列组成的阵列光合成光学系统10，该阵列光合成光学系统10中各透镜光轴互相平行，并与复眼透镜阵列2和聚光镜5光轴平行，照明系统光轴与硅基微晶LCOS读出投影系统光轴的夹角小于90°，双折射偏振分光镜3的入射光轴垂直于入射平面。

本实用新型特点在于：(1)以彩色LED照明光源代替投影灯和色轮虑光片的传统彩色投影照明方案，克服后者带来的照明光源寿命短、功耗大、照明系统体积大和光源能量利用率低等技术瓶颈；彩色LED可能是高功率LED阵列或脉冲式LED光源，以达到高亮度照明。系统采用复眼阵列透镜实现均匀照明，可避免方棒均化照明技术导致的照明器结构复杂和体积庞大，复眼阵列透镜可以采用模压技术用复合材料制作以降低成本。(2)双折射晶体偏振读出系统包括双折射宽带偏振分光镜和1/4波长延迟器。普通偏振分光镜基于多层介质分光膜，对于宽带、高消光比偏振分光膜，膜系设计和制备时的膜系控制都比较复杂，所以实用型宽带偏振分光镜只能达到1000∶1的消光比；目前有人提出用基于线光栅的Wire Grid作为投影系统的偏振分光镜，但其消光比随波长变化较大，所以也不是单片式LCOS光学引擎中宽带偏振分光镜的理想选择。而利用双折射晶体实现的偏振分光镜是天然的宽带分光镜，其带宽可覆盖220nm～2300nm，并且其消光比可以达到10⁶∶1，是宽带偏振分光镜的理想选择；虽然双折射晶体，如冰洲石(Calcite)、钒酸亿(YVO₄)等原材料较贵，但对于消光比小于10⁴∶1的偏振器件，用低档的冰洲石材料，如光学级，就可以制作，成本相对较低，可以与高对比度的介质膜偏振分光镜相当，但其对比度在整个可见光(400nm～700nm)范围内均可达到3000∶1以上。偏振读出系统中的1/4波长延迟器主要用于补偿硅基微晶读出引擎的偏振态缺陷，以弥补当前硅基微晶对比度较低的问题，是解决LCOS面板技术瓶颈的有效措施。(3)利用光纤束实现阵列光源的合成，并可以采用塑料光纤束以降低成本，阵列光源可以直接耦合到光纤束分立端面，或通过透镜阵列等耦合到光纤束分立端面，以提高耦合效率，光纤束的另一端融合在一起，实现多光束合成。(4)可以以三组透镜阵列实现紧凑型彩色LED均匀照明系统，第一组透镜阵列用于LED阵列光源的准直，其准直光直接耦合到后面的复眼透镜阵列对实现照明光束的匀化，这三组透镜阵列都可以用复合材料模压而成以降低成本。(5)作为一种新的LCOS光学引擎结构，利用倒置型Glan-Thompson冰洲石棱镜实现高度比度读出，并利用以上的紧凑型照明器实现均匀照明，其照明系统和投影系统在同一侧，它将在虚拟显示器中得到广泛应用。

                        附图说明

图1为本实用新型单片式光学引擎基本结构。

图2为光束垂直表面入射的冰洲石宽带偏振分光镜结构。

图3为光纤束用于彩色LED阵列光源合成结构。

图4为本实用新型的另一种单片式光学引擎结构。

                      具体实施方式

图1表示本实用新型单片式光学引擎基本结构，包括彩色LED光源1、阵列光源合成光学4、复眼透镜阵列2、聚光镜5、高消光比双折射偏振分光镜3、1/4波长延迟器6和硅基微晶面板7。彩色LED光源1采用高亮度LED阵列，也可能是LED阵列脉冲光源，以提高微显示器的照明亮度；LED阵列光源经合成光学系统4组合后由复眼透镜阵列2实现均匀化照明，然后由聚光镜5聚光均匀照明微显示器；高消光比双折射偏振分光镜3用来实现LCOS面板图像的高对比度读出，引擎系统对比度在整个可见光范围内大于3000∶1，远超过介质膜偏振分光镜的性能；1/4波长延迟器6用作补偿硅基微晶LCOS的偏振缺陷，来提高整个硅基微晶投影系统的对比度；硅基微晶面板7是一种反射式液晶微显示器，是液晶显示技术与大规模集成电路技术相结合的产物，目前硅基微晶LCOS面板的主要制作者有Brillian(Three-five System)、Aurora Systems、Spatialight、Microdisplay、MicroVue、DisplayTech、Philips、JVC和Sony等，其分辨率可以从HDTV 720P(1280×768)、SXGA(1280×1024)、HDTV(1920×1080)到QXGA(2048×1536)，对比度可以从500∶1～1500∶1。由于LCOS面板是一种新型的微显示器，其稳定性、成品率、对比度等都须进一步完善，同时也需要开发高性能的LCOS光学引擎。

图1中，LED阵列光源经合成光学系统后得到近准直光，入射到复眼透镜阵列对，通过第一组各复眼透镜单元的光分别会聚到第二组复眼透镜单元的中心，然后通过第二组复眼透镜阵列和聚光镜组合均匀照明微显示器。偏振分光镜的入射光主轴与出射光主轴互相垂直，但入射光主轴不是正入射到分光镜的入射面，所以菲涅尔反射损失较严重，影响了光源能量的利用率。

图2表示了入射光正入射的偏振分光镜设计结构，并分析了LCOS偏振读出原理。这种偏振分光结构中，入射光与出射光的主轴部垂直，但入射光正入射到分光镜的入射面，菲涅尔反射损失最少。在读出LCOS高分辨率图像时，入射光通常为非偏振光，由P偏振分量和S偏振分量组成，P偏振分量的光直接透过分光镜，对LCOS读出信号没有贡献，而S偏振分量的光将被分光镜反射，入射到LCOS面板读出信号，S偏振分量光经LCOS面板反射后(LCOS是一种反射式LCD)，由于液晶层的相位调制(相当于1/4波片)，得到P偏振光返回到偏振分光镜，直接透过分光镜，进入投影放大系统8。

图3表示一种阵列光源合成光学系统，它由光纤束9实现彩色LED阵列光源的合成，合成器由粗玻璃光纤束或塑料光纤束对其中一端进行融合而实现，然后通过准直透镜5得到近准直光，入射到后面的复眼阵列透镜。LED发出的光直接进入光纤束的分立端面，或通过透镜阵列耦合到光纤束，以提高耦合效率。

图4表示另一种单片式LCOS光学引擎结构，其组成与基本结构相同，由彩色LED阵列光源1、由透镜阵列组成的阵列光合成光学系统10、实现均匀化的复合透镜阵列2、聚光镜5、新型双折射偏振分光镜3、1/4波长延迟器6和LCOS面板构成。这种结构由倒置的Glan-Thompson棱镜用作LCOS微显示器的偏振读出，照明系统光轴与LCOS读出投影系统光轴的夹角小于90°，偏振分光镜的入射光轴垂直于入射平面以减少菲涅尔反射损失；新的照明系统由三组透镜阵列实现LED阵列光源的高效率均匀照明，第一组透镜阵列10将LED阵列光源变成近准直光入射到后两组复眼透镜阵列2并进行照明的匀化，整个彩色LED均匀照明器将非常紧凑。这种新的光学引擎结构将在虚拟显示器中得到广泛应用。

Claims (4)

1、一种硅基微晶单片式光学引擎架构，主要包括照明系统和硅基微晶LCOS读出投影系统，照明系统包括彩色LED光源(1)、阵列光源合成光学系统(4)、复眼透镜阵列(2)、聚光镜(5)；硅基微晶LCOS读出投影系统主要包括双折射偏振分光镜(3)和硅基微晶面板(7)，其特征在于：彩色LED光源(1)与复眼透镜阵列(2)之间放置阵列光源合成光学系统(4)，复眼透镜阵列(2)之后放置聚光镜(5)，双折射偏振分光镜(3)的一反射面放置一硅基微晶面板(7)，其中阵列中各复眼透镜的光轴互相平行，并且第一列复眼透镜的焦点与第二列相应的复眼透镜中心重合，阵列中各复眼透镜的光轴并与聚光镜(5)光轴平行，照明系统光轴与硅基微晶LCOS读出投影系统光轴平行，双折射偏振分光镜(3)的入射光主轴与出射光主轴互相垂直。

2、根据权利要求1所述的硅基微晶单片式光学引擎架构，其特征在于：硅基微晶面板(7)可以放在双折射偏振分光镜(3)的透射面出口。

3、根据权利要求1所述的硅基微晶单片式光学引擎架构，其特征在于：所述硅基微晶LCOS读出投影系统还包括1/4波长延迟器(6)，放置在双折射偏振分光镜(3)与硅基微晶面板(7)之间。

4、根据权利要求1、2或3所述的硅基微晶单片式光学引擎架构，其特征在于：阵列光源合成光学系统(4)采用透镜阵列组成的阵列光合成光学系统(10)，该阵列光合成光学系统(10)中各透镜光轴互相平行，并与复眼透镜阵列(2)和聚光镜(5)光轴平行，以倒置的Glan-Thompson偏振器作为LCOS的高对比度信号读出，照明系统光轴与硅基微晶LCOS读出投影系统光轴的夹角小于90°，双折射偏振分光镜(3)的入射光轴垂直于入射平面。

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