CN102096293A

CN102096293A - 三片式lcos激光投影显示用光学引擎

Info

Publication number: CN102096293A
Application number: CN2011100327664A
Authority: CN
Inventors: 李慧娟
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2011-01-30
Filing date: 2011-01-30
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2031-01-30
Also published as: CN102096293B

Abstract

本发明涉及三片式LCOS激光投影显示用光学引擎，包括红、绿、蓝三色激光器、三匀光整形系统、光核、三片LCOS、一反射镜、一投影物镜,三激光器的发光中心位于相应的匀光整形系统的主光轴上，且三匀光整形系统的主光轴相互平行；三激光器发出的三光束分别通过匀光整形系统调整为均匀矩形平行光束后，其中两束光直接射入对应的偏振分光镜，另一束光通过反射镜的反射后进入对应的偏振分光镜，三色偏振光经光核最终合成为白光射入投影物镜；本发明以激光器为光源，产生的激光是带宽较窄的线偏振光，不用滤色片，省去了大量偏振片，在降低成本的同时提高了光能利用率；在色域范围、色彩的鲜明程度、彩色的逼真程度上，好于现有投影系统的光学引擎。

Description

三片式LCOS激光投影显示用光学引擎

技术领域

本发明涉及一种三片式LCOS激光投影显示用光学引擎，属于激光显示技术领域。

背景技术

投影显示技术经过几十年的的发展，逐步走向成熟，并得到广泛的应用。目前投影显示技术主要分为CRT、LCD、DLP、LCOS四类。CRT投影显示技术发展时间最长，技术最成熟，但由于其亮度低、显示尺寸有限、体积大、笨重、调整复杂且长时间显示静止画面会使阴极射线管产生灼伤等缺点，目前已很少使用；LCD投影显示技术近十年来发展十分迅速，它具有体积小、重量轻、操作简单、成本低等优点，但它存在光利用率低、像素感强等缺点；DLP投影显示技术，是目前唯一的全数字投影技术，其成像器件是DMD，它具有光能利用率比较高、响应速度快、亮度和色均匀性好、体积小、重量轻等优点；而LCOS投影显示技术则结合了LCD和DLP两种投影显示技术的优势，具有如下优点：（1）分辨率高、图像细腻；（2）开口率高、光能利用率高、亮度高；（3）对比度比LCD高，可达2000:1；（4）和DLP面板一样能直接反射光而使面板不易被灼伤；（5）无残影现象。

无论何种投影显示技术，光源都是保证其颜色逼真，图像色彩丰富的关键。在国际照明委员会（CIE）1931年发布的色度图上，激光显示色域三角形面积是传统CRT色域三角形面积的2倍以上，这就意味着激光投影显示的色域范围更宽广，所显示出来的颜色更逼真。另外，激光显示与传统显示相比，还存在如下优势：①由于激光的光谱为线谱，所以激光的色纯度、饱和度都很高；②与普通显示相比，在相同尺寸，相同显示效果条件下，激光显示损耗的光能较低；③激光显示在室温下寿命可达10万小时以上，其寿命长，可靠性高；④激光显示易于实现大尺寸屏幕。

综上所述，基于LCOS的激光投影显示技术，是未来投影显示技术的发展方向和必然趋势。理论上，在传统的投影显示混色机制中，无论是基于三片式LCOS的空间混色技术，还是基于单片式LCOS利用高速旋转的马达带动色轮实现时间混色技术，都有67%的光能被浪费掉了，所以基于LCOS投影显示技术，寻找一种新的混色机制，尽可能降低光能浪费，是投影显示技术领域当前的第一要务。

专利号为ZL200720310464.8的中国专利“LCOS光学引擎系统”公开了一种LCOS光学引擎系统，该系统包括UHP光源、光棒、中继透镜组、分色镜、反射镜、预起偏器、偏振分光镜（PBS）、LCOS芯片、X型合光棱镜和投影镜头；合光系统采用光核，光核内设的PBS棱镜和合色棱镜粘接为一体，在光核的R、G、B三个PBS棱镜的外侧分别设有LCOS芯片，该系统虽然实现了图像的彩色显示，但其UHP光源的工作寿命短，滤色降低光能的利用率，显示系统色域窄，系统散热复杂，可靠性和稳定性差。专利号为200710042362.7的中国专利“三色LED照明的三片式LCOS投影机光学引擎”，用红、绿和蓝三色LED光源代替上专利中的UHP光源；用红、绿和蓝三色光的三个结构相同的照明系统代替上专利中的分色照明系统。该系统也实现了图像的彩色显示，但由于LED光源是多点组成的面光源，这就要求其三个结构相同的照明系统整理光束时所用器件多，结构也比较复杂。

发明内容

本发明的目的是提出一种激光照明、光路结构简单的三片式LCOS投影显示用光学引擎。

为实现上述目的，本发明的三片式LCOS激光投影显示用光学引擎，包括光源、投影物镜、由三个偏振分光棱镜和一个X型合光棱镜以及分别设于三个偏振分光棱镜外侧的LCOS组成的光核,所述光源发出的光束通过光核射入投影物镜，所述光源为红、绿、蓝激光器，该三色激光器与光核之间设有三个光学结构相同的用于将相对应激光器发射的激光束调整为均匀矩形平行光束的匀光整形系统,所述三激光器的发光中心位于相应的匀光整形系统的主光轴上，且三匀光整形系统的主光轴相互平行；三激光器发出的三光束分别通过匀光整形系统调整为尺寸合适的均匀矩形平行光束后，其中两束光直接射入对应的偏振分光棱镜，另一束光通过反射镜的反射后进入对应的偏振分光棱镜，分别从三偏振分光棱镜出射的三色偏振光经X型合光棱镜合成为白光，进入投影物镜，实现激光全色显示。

进一步的，所述匀光整形系统包括用于将激光器发出的光束变成圆形平行光的扩束准直子系统、用于将圆形平行光变为均匀的矩形平行光的光束整形消散斑子系统和用于消散斑的共轭消相位器。

进一步的，所述扩束准直子系统是由一个双凹透镜和一个双凸透镜组成，且双凸透镜的焦点与双凹透镜的虚焦点重合。

进一步的，所述光束整形消散斑子系统包括第一、第二傅立叶变换透镜、微型转动电机、连接板、小角度散射器和相位衍射型光学器件，所述微型转动电机固设于连接板上，该连接板中心设有透光小孔，所述第一傅立叶变换透镜、小孔、相位衍射型光学器件和第二傅立叶变换透镜依次设于匀光整形系统的主光轴上，连接板垂直于匀光整形系统的主光轴，所述小角度散射器设于靠近相位衍射型光学器件的微型转动电机上。

进一步的，所述小角度散射器的散射角小于1度。

进一步的，所述反射镜为单波长介质膜高反射镜，用于反射绿光。

进一步的，所述红、蓝光偏振分光棱镜与X型合光棱镜之间设有二分之一波片。

进一步的，所述三激光器和三匀光整形系统并排设于同一平面上，且位于LCOS投影光学系统的同一侧。

本发明的三片式LCOS激光投影显示用光学引擎以激光器为光源，产生的激光是带宽较窄的线偏振光，不用滤色片，省去了大量偏振片，在降低成本的同时提高了光能利用率；利用激光的偏振特性，无需经过偏振器件获得偏振光，又进一步提高了光能利用率；使用匀光整形系统能够得到比较均匀、色纯、亮度高的照明光斑；由于激光的带宽窄、波长可调，该光学引擎在色域范围、色彩的鲜明程度、彩色的逼真程度上，都远远好于现有投影系统的光学引擎，且系统结构较为简单。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是扩束准直子系统示意图；

图3是光束整形消散斑系统示意图；

图4是相位衍射型光学器件原理图。

具体实施方式

本发明的三片式LCOS激光投影显示用光学引擎如图1所示，包括红色激光器1、绿色激光器2、蓝色激光器3、三个光学结构相同的匀光整形系统、反射镜13、红光偏振分光棱镜14、绿光偏振分光棱镜15、蓝光偏振分光棱镜16、红LCOS 17、绿LCOS 18、蓝LCOS 19、X型合光棱镜20和投影物镜21。其中红色激光器的波长为635nm；绿色激光器的波长为532 nm；蓝色激光器的波长为447 nm；反射镜为单波长介质膜高反射镜，用于反射绿光。三个偏振分束镜均是边长为25.4mm的立方棱镜，其同时具有起偏和检偏的作用；X型合光棱镜是边长为25.4mm的立方棱镜，能将三色激光合成为标准白光；三个LCOS的尺寸均为0.7英寸（16：9）。

红、绿、蓝光偏振分光棱镜和X型合光棱镜20及分别设于红、绿、蓝偏振分光棱镜外侧的红、绿、蓝LCOS组成光核，各偏振分光棱镜靠近X型合光棱镜设置；红、蓝光偏振分光棱镜与X型合光棱镜之间设有二分之一波片。

本光学引擎的三激光器光源与光核之间设有三个光学结构相同的匀光整形系统，用于将相对应激光器发射的激光束调整为均匀矩形平行光束，以三激光器为光源，三激光器的发光中心位于相应的匀光整形系统的主光轴上，且三匀光整形系统的主光轴相互平行，三激光器和三匀光整形系统并排设于同一平面上，且位于LCOS投影光学系统的同一侧。

三匀光整形系统均包括用于将激光器发出的光束变成圆形平行光的扩束准直子系统、用于将圆形平行光变为均匀的矩形平行光的光束整形消散斑子系统和用于消散斑的共轭消相位器，该共轭消相位器为相位衍射型光学器件。如图2所示，扩束准直子系统是由一个双凹透镜和一个双凸透镜组成，且双凸透镜的焦点与双凹透镜的虚焦点重合。如图3所示，光束整形消散斑子系统包括第一傅立叶变换透镜41、第二傅立叶变换透镜47、微型转动电机42、连接板45、小角度散射器43和相位衍射型光学器件44，微型转动电机42固设于连接板42上，该连接板中心设有透光小孔46，第一傅立叶变换透镜41、小孔46、相位衍射型光学器件44和第二傅立叶变换透镜47依次设于匀光整形系统的主光轴上，连接板45垂直于匀光整形系统的主光轴，小角度散射器43设于靠近相位衍射型光学器件部分的微型转动电机42上，小孔46位于扩束准直子系统的光束聚焦处，使光能完全通过小孔46，并保证连接板垂直于光轴。相位型衍射光学器件43置于小角度散射器件44之后。小角度散射器在微型电机的带动下可长时间高速旋转，通过机械连接板中心孔的光束经旋转散射器后能使激光散斑的衬比度减弱，相位型衍射光束整形器件能将圆形或椭圆形高斯或准高斯光束转换成均匀的长方形光束，这样就达到了降低激光散斑的目的。小角度散射器是由抗激光损伤阈值较高的石英材料制作而成，器散射角度不宜过大，本发明散射器的散射角小于1度。

相位衍射型光学器件52应紧贴傅立叶变换透镜51放置，激光束经前面的系统后入射到傅立叶变换透镜（或相位衍射型光学器件）上，在傅立叶变换透镜的后焦面上得到L即所需要的光斑分布，如图4所示。该频谱面上的光斑空间尺寸由傅立叶变换透镜的焦距决定，具体关系为：

，其中f为透镜焦距，

为衍射角。所以可通过调节傅立叶变换透镜的焦距按比例缩放频谱面上的光斑空间尺寸。

使用时，红激光器1、绿激光器2、蓝色激光器3同时发出三束激光；三束激光分别经过各自的匀光整形系统：先经扩束准直子系统4、5、6变成圆形平行光，后经光束整形消散斑子系统7、8、9变成均匀的矩形平行光，再经共轭消相位器件10、11、12再次消散斑，并使光束横截面大小尺寸适于LCOS的均匀矩形平行光束；红色和蓝色光束直接进入与其相应的偏振分光棱镜14、16，绿色光束经反射镜13反射后进入绿偏振分光棱镜15，三个偏振分光棱镜分别将S态的偏振光分别反射到LCOS17、18、19上，同时信号处理驱动系统把红、绿、蓝三色视频信号也分别加载到对应的LCOS上，被LCOS分别调制后的光波反射回来，再分别经偏振分光棱镜15、16、17检偏，分别从三偏振分光棱镜出射的P态的偏振光分别射入X型合光棱镜20；在X型合光棱镜20处相遇的三色光，经X型合光棱镜20进行空域混色，合成白光，透射进入投影物镜21，实现激光全色显示。本发明的光学引擎可用于家庭背投电视，或商业闹事、车站、码头等公共场所的大屏幕显示。

Claims

1. 一种三片式LCOS激光投影显示用光学引擎，包括光源、投影物镜、由三个偏振分光棱镜和一个X型合光棱镜以及分别设于三个偏振分光棱镜外侧的LCOS组成的光核,所述光源发出的光束通过光核射入投影物镜，其特征在于，所述光源为红、绿、蓝激光器，该三色激光器与光核之间设有三个光学结构相同的用于将相对应激光器发射的激光束调整为均匀矩形平行光束的匀光整形系统,所述三激光器的发光中心位于相应的匀光整形系统的主光轴上，且三匀光整形系统的主光轴相互平行；三激光器发出的三光束分别通过匀光整形系统调整为尺寸合适的均匀矩形平行光束后，其中两束光直接射入对应的偏振分光棱镜，另一束光通过反射镜的反射后进入对应的偏振分光棱镜，分别从三偏振分光棱镜出射的三色偏振光经X型合光棱镜合成为白光，进入投影物镜，实现激光全色显示。

2. 根据权利要求1所述的三片式LCOS激光投影显示用光学引擎，其特征在于：所述匀光整形系统包括用于将激光器发出的光束变成圆形平行光的扩束准直子系统、用于将圆形平行光变为均匀的矩形平行光的光束整形消散斑子系统和用于消散斑的共轭消相位器。

3. 根据权利要求2所述的三片式LCOS激光投影显示用光学引擎，其特征在于：所述扩束准直子系统是由一个双凹透镜和一个双凸透镜组成，且双凸透镜的焦点与双凹透镜的虚焦点重合。

4. 根据权利要求2所述的三片式LCOS激光投影显示用光学引擎，其特征在于：所述光束整形消散斑子系统包括第一、第二傅立叶变换透镜、微型转动电机、连接板、小角度散射器和相位衍射型光学器件，所述微型转动电机固设于连接板上，该连接板中心设有透光小孔，所述第一傅立叶变换透镜、小孔、相位衍射型光学器件和第二傅立叶变换透镜依次设于匀光整形系统的主光轴上，连接板垂直于匀光整形系统的主光轴，所述小角度散射器设于靠近相位衍射型光学器件的微型转动电机上。

5. 根据权利要求4所述的三片式LCOS激光投影显示用光学引擎，其特征在于：所述小角度散射器的散射角小于1度。

6. 根据权利要求1至5中任一项所述的三片式LCOS激光投影显示用光学引擎，其特征在于：所述反射镜为单波长介质膜高反射镜，用于反射绿光。

7. 根据权利要求6所述的三片式LCOS激光投影显示用光学引擎，其特征在于：所述红、蓝光偏振分光棱镜与X型合光棱镜之间设有二分之一波片。

8. 根据权利要求7所述的三片式LCOS激光投影显示用光学引擎，其特征在于：所述三激光器和三匀光整形系统并排设于同一平面上，且位于LCOS投影光学系统的同一侧。