專利名稱：一種單芯片投影顯示系統(tǒng)的光學(xué)引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)領(lǐng)域，特別是一種單芯片投影顯示系統(tǒng)的光學(xué)引擎。
近年來(lái)，隨著高清晰度電視(HDTV)發(fā)展的技術(shù)要求，發(fā)展起了許多新型的顯示技術(shù)，硅基液晶反射式(LCOS)顯示技術(shù)是其中的一個(gè)典型代表。而LCOS顯示技術(shù)的發(fā)展方向是單片式的LCOS顯示系統(tǒng)(參見(jiàn)專利申請(qǐng)01113471.2)。目前彩色LCOS顯示芯片已在研制過(guò)程中，因此，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的單片式LCOS光學(xué)引擎。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種空間分光型的單片式LCOS投影顯示系統(tǒng)光學(xué)引擎。
本實(shí)用新型的目的通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)將帶有紫外和紅外隔絕濾光片的照明光源、光棒、光學(xué)透鏡組與預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件、偏振分光棱鏡、和投影物鏡等光學(xué)元件依次固定在一個(gè)固定底座上，再將一塊彩色硅基液晶反射式顯示芯片固定在偏振分光棱鏡的一個(gè)表面上，并使得上述各光學(xué)元器件構(gòu)成一共軸的光學(xué)系統(tǒng)，從而組成本實(shí)用新型的光學(xué)引擎。從照明光源(通常為超高壓汞燈)發(fā)出的光經(jīng)紫外和紅外隔絕濾光片濾去對(duì)系統(tǒng)有害的紫外和紅外光線后，剩余的可見(jiàn)光部分經(jīng)聚焦后，從一光棒的輸入端的中央進(jìn)入該光棒，由于光棒表面的多次反射，可起到均化其亮度的效果。再經(jīng)一透鏡(組)后，照到預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件上，由其將該自然光轉(zhuǎn)換成線偏振光。該線偏振光經(jīng)過(guò)一個(gè)或數(shù)個(gè)偏振分光棱鏡的反射后，照射到彩色顯示芯片上，照射光斑與該彩色顯示芯片的有效區(qū)域相配。經(jīng)過(guò)該彩色顯示芯片的調(diào)制，部分帶有圖像信息的光線，其偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，并穿過(guò)偏振分光棱鏡后，由投影物鏡放大投射到顯示屏上。
本實(shí)用新型的
如下圖1是本實(shí)用新型的光學(xué)引擎的原理示意圖。
圖2是用光棒回收利用反射光線的示意圖。
圖3是本實(shí)用新型的光學(xué)引擎的一種實(shí)施例示意圖。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)闡述。但并不限制本實(shí)用新型的內(nèi)容。
附圖1是本實(shí)用新型的光學(xué)引擎原理示意圖。將帶有紫外和紅外隔絕濾光片2的照明光源1、光棒3、光學(xué)透鏡組5與預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件11、偏振分光棱鏡12、和投影物鏡14等光學(xué)元件依圖示次序固定在一個(gè)金屬或塑料制的固定底座上，再將一塊彩色硅基液晶反射式顯示芯片13按圖示位置用光學(xué)膠或機(jī)械緊固方法固定在偏振分光棱鏡的一個(gè)表面上，構(gòu)成一個(gè)共軸的光學(xué)系統(tǒng)，從而組成本實(shí)用新型的光學(xué)引擎。帶有橢球面(或拋物面，需另加聚焦透鏡)反射罩的照明光源1(通常為超高壓汞燈)發(fā)出的光線經(jīng)紫外和紅外隔絕濾光片2濾去對(duì)系統(tǒng)有害的紫外線和紅外線后，會(huì)聚進(jìn)入光棒3，該光棒可以是實(shí)心的玻璃制成，由于玻璃折射率高于空氣折射率，在光棒界面可形成全反射。該光棒也可以是空心的玻璃管，其內(nèi)壁鍍有高反射膜層。光棒的長(zhǎng)度應(yīng)使最大入射角度的光線有兩次以上的反射。光棒界面對(duì)入射角較大的光線進(jìn)行較多次的反射，而對(duì)入射角較小的光線則反射次數(shù)較少，這樣就可使光束的亮度分布趨于均勻。經(jīng)過(guò)均化的光束再經(jīng)一透鏡或透鏡(組)5使從光棒3出射的光線以較小的入射角度射到預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件11上。該預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件11是由兩塊或兩塊以上的鍍有偏振分光膜8和高反射膜9的玻璃棱鏡6和7膠合而成，并在其出射口的部分區(qū)域貼有二分之一波片10。高反射膜9可以是金屬高反射膜，或多層介質(zhì)高反射膜層，甚至可以是沒(méi)有任何膜層，而是利用玻璃的全反射特性達(dá)到的高反射效果。當(dāng)一束自然光入射到該預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件上時(shí)，首先被偏振分光膜8分成兩束光，即s方向偏振光和p方向偏振光，s方向偏振光直接被偏振分光膜8反射出去，而p方向偏振光則透射過(guò)偏振分光膜8再被高反射膜9反射出去，該被反射出去的p方向偏振光在出射時(shí)再通過(guò)一個(gè)二分之一波片10，由于二分之一波片的雙折射特性和位相延遲功能，使該p方向偏振光被轉(zhuǎn)換成s方向偏振光，會(huì)同先前被偏振分光膜8直接反射出去的s方向偏振光，形成一束s方向線偏振光。該s方向線偏振光束隨后再被偏振分光棱鏡12反射到彩色顯示芯片13上，該彩色顯示芯片13是一種將三色介質(zhì)分色濾光片列陣與帶有硅CMOS尋址電路的金屬反射鏡列陣對(duì)準(zhǔn)封裝在一起，中間灌有液晶的組合器件(參見(jiàn)專利申請(qǐng)01246153.9)。當(dāng)s偏振光照射到該芯片上時(shí)，首先被三色介質(zhì)分色濾光片列陣分光，對(duì)應(yīng)各象元顏色的光透過(guò)各分色濾光片進(jìn)入液晶層，其余顏色的光被反射回去。進(jìn)入液晶層的光經(jīng)液晶調(diào)制后，再被該象元的金屬反射鏡反射出去，由于液晶的調(diào)制，部分s偏振光被轉(zhuǎn)換成p偏振光，因而能透過(guò)偏振分光棱鏡12，被投影物鏡14投射出去作圖像顯示。而其余部分仍為s偏振光，則再次被偏振分光棱鏡12反射回去。由于那部分能透過(guò)偏振分光棱鏡12而被投影物鏡14投射出去的光的消光比是決定投影圖像對(duì)比度的主要因素，因此偏振分光棱鏡12選用高消光比的偏振分光棱鏡(參見(jiàn)專利申請(qǐng)02215330.6)將有助于提高投影圖像的質(zhì)量。
上述投影顯示系統(tǒng)中，照到彩色顯示芯片13上的照明光束一部分被用來(lái)作投影顯示，而另一部分光則被彩色顯示芯片13反射回去。而對(duì)于投影顯示系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，充分利用光的能量是提高投影圖像亮度、降低功耗、延長(zhǎng)使用壽命的一個(gè)非常有效的途經(jīng)。因此，對(duì)于被彩色顯示芯片13反射回去的光線，包括從分色濾光片上反射回去的，和從象元金屬反射鏡上反射回去而沒(méi)有被轉(zhuǎn)換成p偏振光的那部分光，也應(yīng)加以充分回收利用。回收利用的方法如附圖2所示，被反射回去的光線會(huì)經(jīng)過(guò)上述光學(xué)系統(tǒng)再次進(jìn)入光棒3。而在光棒3的輸入端面上除中心區(qū)域聚焦點(diǎn)附近以外的區(qū)域鍍有高反射膜層4，無(wú)鍍膜區(qū)域的尺寸為略大于會(huì)聚輸入光的光斑尺寸，以保證輸入光不受該高反射膜層的影響。當(dāng)輸入光16穿過(guò)該非鍍膜區(qū)域進(jìn)入光棒后，在光棒界面多次反射均化后，出射到分色濾光片列陣15上，一部分光17透過(guò)該濾光片而進(jìn)入液晶層，而另一部分光18則被反射回光棒，經(jīng)過(guò)光棒的界面反射后，又被輸入端面的高反射膜層11回來(lái)，再被光棒界面反射后，再次照到分色濾光片列陣15上，從而達(dá)到回收利用該部分光的目的。另外，將光棒3的輸出端的面積做得比輸入端的面積大一點(diǎn)，可以有效地減小從光棒3出射的光線的發(fā)散角度。如在光路中加插入一片超細(xì)金屬線柵器件(參見(jiàn)專利申請(qǐng)01139205.3)，可以進(jìn)一步提高光束的消光比，從而進(jìn)一步提高投影圖像的對(duì)比度。為進(jìn)一步提高投影圖像的亮度均勻性，還可在光路中插入一片全息散射均化器件，以進(jìn)一步均化照明光束的亮度。
圖3是本實(shí)用新型的光學(xué)引擎的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。各光學(xué)元件的位置排列如圖所示并固定在一個(gè)固定底座上，帶有橢球面反射罩的照明光源1發(fā)出的光線經(jīng)紫外和紅外隔絕濾光片2濾去對(duì)系統(tǒng)有害的紫外線和紅外線后，會(huì)聚進(jìn)入第一根光棒20作第一次均化，經(jīng)過(guò)一次均化的光束再經(jīng)一透鏡或透鏡(組)5使光線的發(fā)散角度減少，并能高質(zhì)量聚焦射到第二根光棒3的輸入端面。為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊起見(jiàn)，在光線中插入兩反射鏡21以轉(zhuǎn)折光線。這些反射鏡可以選用僅反射可見(jiàn)光，而透過(guò)紅外光的冷反射鏡，以盡量降低熱效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的危害。進(jìn)入第二根光棒3作再一次均化后出射的光線，由另一個(gè)場(chǎng)透鏡23轉(zhuǎn)換成接近準(zhǔn)直的光線射到預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件11上將自然光轉(zhuǎn)換成s方向線偏振光，預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件11是由三塊鍍有偏振分光膜8和高反射膜9的玻璃棱鏡膠合而成，并在其出射口的部分區(qū)域貼有二分之一波片10。該s線偏振光束再經(jīng)過(guò)兩個(gè)偏振分光棱鏡22和12的反射后(用兩個(gè)偏振分光棱鏡的串聯(lián)反射可使光束的消光比大大提高，從而提高投影圖像的對(duì)比度)照到彩色顯示芯片13上。經(jīng)過(guò)該彩色顯示芯片13的調(diào)制，部分s方向偏振光被轉(zhuǎn)換成p方向偏振光，從而能透過(guò)偏振分光棱鏡12被投影物鏡14投影成像。而另部分沒(méi)有被轉(zhuǎn)換掉的s方向偏振光，則被偏振分光棱鏡12反射回去并到達(dá)光棒3的輸入端面，被高反射膜4反射回來(lái)回收利用。
為盡量減少光程，附圖3中的預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件11、偏振分光棱鏡12和22、以及彩色顯示芯片13等數(shù)個(gè)器件是膠合在一起的。
本實(shí)用新型具有如下有益效果1.提供了一種單片式LCOS投影顯示系統(tǒng)光學(xué)引擎，有助于單片式LCOS投影顯示系統(tǒng)的實(shí)用化。
2.有效地提高了光學(xué)引擎的光利用效率，可提高投影圖像的亮度，并可增加光學(xué)引擎的壽命，降低系統(tǒng)的功耗。
3.提供的光學(xué)引擎系統(tǒng)的圖像質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。提供的光學(xué)引擎系統(tǒng)的成本低廉、調(diào)試簡(jiǎn)便，有助于實(shí)行大規(guī)模的批量生產(chǎn)。
權(quán)利要求1.一種單芯片投影顯示系統(tǒng)的光學(xué)引擎，包括照明光源、光棒、透鏡組和預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件、偏振分光棱鏡、投影物鏡、和彩色顯示芯片等光學(xué)元器件，并固定在一個(gè)固定底座上，其特征在于a)照明光源、光棒、透鏡組、預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件、偏振分光棱鏡、投影物鏡、和彩色顯示芯片的中心位于同一光軸上；b)從照明光源發(fā)射出的光線聚焦在光棒輸入端的中心區(qū)域；c)彩色顯示芯片位于偏振分光棱鏡的一個(gè)表面上，使得從光棒輸出端出射的光線經(jīng)透鏡組收束，預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件的預(yù)起偏，及偏振分光棱鏡的反射后照到該彩色顯示芯片上，且使得該照射光斑的大小與該彩色顯示芯片的有效區(qū)域相當(dāng)；d)投影物鏡緊靠著偏振分光棱鏡的出射端，且其中心軸與經(jīng)彩色顯示芯片調(diào)制后反射，并穿過(guò)偏振分光棱鏡射出的光線中心重合，該光線的光斑尺寸小于等于該投影物鏡的有效孔徑。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)引擎，其特征在于其彩色顯示芯片是帶有微濾光片列陣分色系統(tǒng)的單片彩色硅基液晶反射式顯示芯片。
3.如權(quán)利要求1中所述的光學(xué)引擎，其特征在于其中的部分光棒輸入端端面的部分區(qū)域鍍有高反射膜。
4.如權(quán)利要求1中所述的光學(xué)引擎，其特征在于其中的部分光棒輸出端的面積是輸入端面積的1～5倍。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)引擎，其特征在于采用兩塊或兩塊以上的，其中部分表面鍍有偏振分光膜或反射膜的玻璃棱鏡膠合在一起，并在出射面的部分區(qū)域貼有二分之一波片的結(jié)構(gòu)作為預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)引擎，其特征在于與彩色顯示芯片相鄰的偏振分光棱鏡采用高消光比的偏振分光棱鏡，或者采用數(shù)個(gè)偏振分光棱鏡的串聯(lián)組合。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)引擎，其特征在于采用超細(xì)金屬線柵器件作為進(jìn)一步提高消光比的偏振器件。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)引擎，其特征在于采用全息散射器件作為進(jìn)一步均化照明亮度的均化器件。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)引擎，其特征在于其偏振分光棱鏡和預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件，采用相同或不同折射率的玻璃棱鏡膠合而成。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種單芯片投影顯示系統(tǒng)的光學(xué)引擎，它是將照明光源、光棒、光學(xué)透鏡組與預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件、偏振分光棱鏡、和投影物鏡等光學(xué)元件依次固定在一個(gè)固定底座上，再將一塊彩色硅基液晶反射式顯示芯片固定在偏振分光棱鏡的一個(gè)表面上，使得從照明光源發(fā)射出的光線依次經(jīng)過(guò)光棒、光學(xué)透鏡組與預(yù)起偏及偏振轉(zhuǎn)換器件、和偏振分光棱鏡后照射到該顯示芯片上，再將該顯示芯片上的彩色圖像信息經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡和投影物鏡投射出去，從而可應(yīng)用于各種投影顯示的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G02B27/18GK2602397SQ0221735
公開(kāi)日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2002年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月14日
發(fā)明者邵劍心, 樊斌 申請(qǐng)人:邵劍心, 樊斌