專利名稱：緊湊型反射式液晶投影光引擎系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種投影顯示系統，尤其涉及一種緊湊型反射式液晶投影顯示的光引擎系統。
背景技術：
投影顯示已經成為大屏幕高清晰動態(tài)顯示的主流方式，廣泛應用于商務、教育、科研、娛樂以及家庭等重要環(huán)節(jié)。近些年，隨著微電子、光學、加工工藝等諸多技術的迅猛發(fā)展，以及現代商務移動辦公模式的普及和手持數碼產品的增多，微型化又成為投影顯示技術發(fā)展的新方向。微型投影機具有輕巧和使用方便等顯著優(yōu)點，可與各類消費電子產品相結合，這使得微型投影的應用變得無限廣闊。微型投影機對亮度、分辨率、體積、功耗、成本以及散熱等都有嚴格的要求。要實現高亮度、高分辨率、小體積、低功耗和低成本的微型投影系統，就必須在光源、光調制器件、光學系統和光學器件等多方面做很大的改進甚至革新。目前，微型投影主要以DLP (Digital Lighting Processor)和 LCoS (LiquidCrystal on Silicon)技術為主。DLP和LCoS技術均為陣列反射式投影技術。DLP技術具有反射率高且無需偏振光等優(yōu)點，但其芯片DMD (Digital Mirror Device)制程極其復雜，為TI公司獨家掌控。LCoS技術具有高分辨率和低成本等優(yōu)勢，色彩豐富，圖像逼真，加之技術上的開放性，非常適合微型投影對高分辨率和低成本的苛刻要求。但是，由于基于偏振光調制，LCoS投影系統的光能利用率偏低，且體積較大，這已經阻礙了投影系統的微型化。因此，一種小體積且高光利用率的光學系統，成為微型投影發(fā)展的訴求。目前的微型投影系統大多采用LED作為照明光源。LED屬于冷光源，且具有體積小、壽命長、響應快及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。采用三基色LED作為光源，可以大幅提升投影機的色域表現能力。這些獨特的優(yōu)點，決定了 LED光源在微型顯示中的重要地位。但在微型投影應用上，仍然存在LED光通量不高，且單位光學擴展量上的光通量低于傳統投影光源，以及發(fā)熱量過大等問題。隨著市場的發(fā)展，各LED廠商也在不斷開發(fā)適用于微型投影的LED光源。例如，歐司朗(OSRAM)在2011年底研制出電光轉換效率高達61%的紅光LED (主波長為609nm)。在Imm2的芯片，工作電流為40mA時可實現光效高達201 lm/W，而在350mA的典型工作電流下仍可提供168 lm/W的高光效。發(fā)光效率越高，芯片面積越小，這給微型投影光學系統設計帶來更大的空間。雖然投影用LED光源已有很大的提升，但投影機的輸出亮度仍然不高。要進一步提高微型投影的性能，就必須有一個高效的偏振光管理系統——光引擎。為了提高整機亮度和色彩飽和度，現在普遍采用三基色LED作為照明光源。利用LED本身所具有的快速響應特性，為單片式微型投影芯片提供脈沖照明。傳統的微型投影光引擎基本采用X-Cube棱鏡(US6018418)和雙二向分色鏡的方法實現。對于X-Cube結構，三基色光源位于其三個邊，由于三基色光在光譜上的不同，合成共路光束，從X-Cube的第四邊出射。采用雙二向分色鏡結構，其中的兩基色先經過第一塊二向分色鏡后合成為第三種基色的補色，之后再經過第二塊二向分色鏡合成為共路光束。X-Cube結構緊湊，光收集率較高，但其合色效率很低。雙二向色鏡(Dichroic Mirror)合色效率較高，但光收集率低且體積偏大。若改用二向色棱鏡(Dichroic Prism)代替二向色鏡，雖然光線收集率和合色效率都有所提高，但以體積、重量和成本為代價。此外，無論采用哪種傳統的方式合成三基色共路光，都需要經過起偏器產生液晶顯示所需的偏振光，這意味著在光源部分就有一半的光能量損失掉，使得整機的光能利用率大大降低?？梢?，傳統的光引擎已經成為微型投影發(fā)展的一個瓶頸。申請人:申請的專利(專利申請?zhí)枮?01110168636. 3)提供了一種全新的反射式投影光引擎結構。該結構采用三基色LED照明，利用偏振分束棱鏡(PBS: Polarization BeamSplitter)和偏振干涉濾光片組成的偏振整合光路，將不同偏振態(tài)的三基色光整合為同一偏振光并照向圖像調制器件。同時采用光回收結構，將第一次未進入后續(xù)光路的光經偏振旋轉后被重復利用，可有效利用三基色光的兩種偏振態(tài)。該光引擎光利用率高，但體積和成本上不占優(yōu)勢。若光引擎能保證結構上的緊湊性，又能重復利用光源能量，將極為有利投影系統的微型化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現有技術的不足，提供了一種緊湊型反射式液晶投影光引擎系統。本發(fā)明將某種基色的LED光經過偏振器件后的正交偏振光重復利用，在保證結構緊湊的基礎上，提升系統的光能利用率。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的
一種緊湊型反射式液晶投影光引擎系統，它包括光源模塊，偏振光管理模塊，圖像信息模塊和投影鏡頭。其中，所述光源模塊包括紅光LED、綠光LED、藍光LED、紅光勻光器、綠光勻光器、藍光勻光器，紅光LED和紅光勻光器相連，綠光LED和綠光勻光器相連，藍光LED和藍光勻光器相連。光管理模塊由偏振合色單兀、聚光透鏡、偏振干涉濾光片、PBS等依次同軸排列組成。圖像信息模塊位于第二 PBS的一個直角邊，投影鏡頭位于第二 PBS的出射邊。進一步地，所述偏振合色單元由第一 PBS、透紅反藍濾光片、透藍反紅濾光片、寬波段四分之一波片等組成。其中，第一 PBS與聚光透鏡同軸，寬波段四分之一波片膠合于第一PBS的紅光入射面，再與透紅反藍濾光片相膠合，透藍反紅濾光片膠合于第一 PBS的藍光入射面。此偏振合色單?？芍貜屠眉t光的兩種偏振態(tài)的光。從第一 PBS出射的三基色光中，紅光和藍光為第二偏振態(tài),綠光為第一偏振態(tài)。后續(xù)的偏振干涉濾光片應半波旋轉綠光而保持紅光和藍光偏振態(tài)不變。同理，可以將綠光LED與紅光LED調換位置，用透綠反藍濾光片代替透紅反藍濾光片，用透藍反綠濾光片代替透藍反綠濾光片，實現綠光的重復利用。此時，從第一 PBS出射的三基色中，紅光為第一偏振態(tài)，綠光和藍光為第二偏振態(tài)。后續(xù)的偏振干涉濾光片應半波旋轉紅光而保持綠光和藍光偏振態(tài)不變。也可以將紅光LED與藍光LED調換位置，用透藍反紅濾光片代替透紅反藍濾光片，用透紅反藍濾光片代替透藍反紅濾光片，實現藍光的重復利用。此時，從第一 PBS出射的三基色中，綠光為第一偏振態(tài)，而紅光和藍光為第二偏振態(tài)。由于藍光在投影系統中的比重較少，因此藍光的重復利用對系統亮 度提升的貢獻較小。因此，采用綠光重復利用或紅光重復利用的結構有利于投影系統整機売度的提升。進一步地，所述偏振合色單元由第一 PBS、透紅反藍濾光片、透綠反藍濾光片、透藍反紅綠濾光片、寬波段四分之一波片等組成。其中，第一 PBS與聚光透鏡同軸，兩個寬波段四分之一波片分別膠合于第一 PBS的紅光入射面和綠光入射面，再分別與透紅反藍濾光片和透綠反藍濾光片相膠合，透藍反紅綠濾光片膠合于第一 PBS的藍光入射面。此偏振合色單元可重復利用紅光和綠光的兩種偏振態(tài)的光。從第一 PBS出射的三基色光中，綠光為第一偏振態(tài)，紅光為第二偏振態(tài)，藍光同時具有第一和第二偏振態(tài)。后續(xù)的偏振干涉濾光片可半波旋轉綠光而保持紅光偏振態(tài)不變。由于藍光對系統亮度貢獻較小，只需利用單一偏振態(tài)的光。為了提高入射于調制器件上的光偏振度，可在第二 PBS前加偏振片。同理，將紅光LED和透紅反藍濾光片與綠光LED和透綠反藍濾光片調換位置，也可以實現紅光和綠光的重復利用。此時，從第一 PBS出射的三基色中，紅光為第一偏振態(tài)，而綠光為第二偏振態(tài)，藍光同時具有第一個第二偏振態(tài)。后續(xù)的偏振干涉濾光片應半波旋轉紅光而保持綠光偏振態(tài)不變。藍光只需利用單一偏振態(tài)的光。此外，可以調換三基色中任意兩種基色LED的位置和對應的基色濾光片，實現任意兩種基色光的重復利用。通常，由于綠光和紅光對系統的貢獻最大，因此采用重復利用紅光和綠光的結構，對整機的輸出亮度提升最為有利。 本發(fā)明的有益效果是，在三基色LED中，有一種或兩種基色的兩個偏振態(tài)的光能在本發(fā)明的光引擎中被充分利用。相對于傳統投影系統中，一種偏振光被吸收或者浪費的缺點，本系統不僅在體積上有優(yōu)勢，而且系統的光能利用率得到進一步提升。


圖I是本發(fā)明的第一個實施例的緊湊型反射式液晶投影光引擎結構 圖2是本發(fā)明的第一個實施例中第一基色的光線軌跡和偏振態(tài) 圖3是本發(fā)明的第一個實施例中第二基色的光線軌跡和偏振態(tài) 圖4是本發(fā)明的第一個實施例中第三基色的光線軌跡和偏振態(tài) 圖5是本發(fā)明的第二個實施例的緊湊型反射式液晶投影光引擎結構 圖6是本發(fā)明的第三個實施例的緊湊型反射式液晶投影光引擎結構 圖7是本發(fā)明的第三個實施例中第一基色的光線軌跡和偏振態(tài) 圖8是本發(fā)明的第三個實施例中第二基色的光線軌跡和偏振態(tài) 圖9是本發(fā)明的第三個實施例中第三基色的光線軌跡和偏振態(tài) 圖中反射式液晶投影顯示系統I、光源模塊2、偏振光管理模塊3、圖像信息模塊4、投影鏡頭5、紅光LED 21、綠光LED 22、藍光LED 23、紅光勻光器211、綠光勻光器221、藍光勻光器231、紅光光束212、綠光光束222、藍光光束232、第一 PBS 32、透紅反藍濾光片321、透綠反藍濾光片322、透藍反紅濾光片323、透藍反紅綠濾光片324、透藍反綠濾光片325、寬波段四分之一波片331、第二寬波段四分之一波片332、聚光透鏡32、偏振干涉濾光片33、第二PBS 34。
具體實施例方式本發(fā)明包括光源模塊，偏振光管理模塊，圖像信號模塊和投影鏡頭。光源模塊提供照明，為了提高投影系統的色彩度和亮度，本發(fā)明采用三基色(即紅、綠、藍三色)LED。三基色LED本身就產生單色性很好的光，且具有納秒量級的響應速度，可以為時序式顯示提供高效照明。光管理模塊包括兩個PBS (Polarization Beam Splitter,偏振分束器)和一個偏振干涉濾光片等。紅光經過透紅反藍濾光片和寬波段四分之一波片進入第一 PBS后，分解成相互正交的第一偏振光和第二偏振光。第二偏振光直接透過第一 PBS進入后續(xù)光學系統，而第一偏振光經過透藍反紅濾光片和寬波段四分之一波片組成的重復利用結構后變?yōu)榈诙窆?，與先前的第二偏振光合并，實現紅光的重復利用。綠光進入第一 PBS后,第一偏振態(tài)的光直接被反射進入后續(xù)光學系統。藍光經透藍反紅濾光片進入第一 PBS,第一偏振光被反射到透紅反藍濾光片，兩次通過寬波段四分之一波片后，第一偏振態(tài)的光轉變成為第二偏振態(tài)的光，再從第一 PBS透射進入后續(xù)光學系統。第一偏振態(tài)的綠光與第二偏振態(tài)紅光和藍光，經偏振干涉濾光片整合成為第二偏振態(tài)的三基色光。之后，第二偏振態(tài)的三基色光經第二 PBS透射進入圖像信號調制模塊。圖像信號調制模塊為一塊位于第二 PBS —直角邊的反射式液晶圖像調制器件LCoS，根據輸入的圖像信號，對輸入三基色光分時序調制，攜帶圖像信息的調制光偏振態(tài)旋轉90度后，被第二 PBS反 進入投影鏡頭。投影鏡頭位于第二 PBS出射邊，以放大投影經圖像調制器件后攜帶對應圖像信息的光于屏幕上。同理，可以將綠光LED與紅光LED位置對調，用透綠反藍濾光片代替透紅反藍濾光片，用透藍反綠濾光片代替透藍反綠濾光片，實現綠光的重復利用。此時，從第一 PBS出射的三基色中，紅光為第一偏振態(tài)，綠光和藍光為第二偏振態(tài)。后續(xù)的偏振干涉濾光片應半波旋轉紅光而保持綠光和藍光偏振態(tài)不變。對于只偏振旋轉某一基色的光引擎系統，寬波段四分之一波片可以用對應基色四分之一波片代替。在此基礎上，為進一步提升光的重復利用?？稍诘谝?PBS的綠光入射面增加透綠反藍濾光片和寬波段四分之一波片。同時，第一 PBS的藍光入射面的透藍反紅濾光片變?yōu)橥杆{反紅綠濾光片，以提升綠光的重復利用率。紅光經過透紅反藍濾光片和寬波段四分之一波片進入第一 PBS后,分解成相互正交的第一偏振光和第二偏振光。第二偏振光直接透射過第一 PBS進入后續(xù)光學系統，而第一偏振光經透藍反紅綠濾光片反射和寬波段四分之一波片后變?yōu)榈诙窆?，與先前的第二偏振光合并，實現紅光的重復利用。綠光進入第一PBS后,第一偏振態(tài)的光直接被反射進入后續(xù)光學系統，而第二偏振態(tài)的光經過透藍反紅綠濾光片后變?yōu)榈谝黄窆?，與先前的第一偏振光合并，實現綠光的重復利用。藍光經透藍反紅綠濾光片進入第一 PBS，第一偏振態(tài)的光被反射到透紅反藍濾光片，兩次通過寬波段四分之一波片后，第一偏振態(tài)的光轉變成為第二偏振態(tài)的光，再次進入第一 PBS后透射進入后續(xù)光學系統。藍光的第二偏振態(tài)的光透射到透綠反藍濾光片，兩次通過寬波段四分之一波片后，第二偏振態(tài)的光轉變成為第一偏振態(tài)的光，再次進入第一 PBS后被反射進入后續(xù)光學系統。第一偏振態(tài)的綠光與第二偏振態(tài)紅光，經過偏振干涉濾光片后整合成為第二偏振態(tài)的光，藍光只需利用一種偏振光。之后，第二偏振態(tài)的三基色光透過第二 PBS，經圖像信號調制模塊調制后，被第二 PBS反射進入投影鏡頭，經放大后投射于屏幕上。本發(fā)明的技術內容，特性和優(yōu)點等，將參照附圖進行詳細描述。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以對其作出結構和其他方面的改變，而作為其他實施例。各個實施例及其每個不同實施例的各個方面可以以任何合適的方式組合使用。所以，附圖和詳敘本質上將被看作是描述性的而非限制性的。應當注意，在不同的示圖中，相同器件采用相同的參考數表
/Jn ο實施例I
圖I給出了本發(fā)明的第一個緊湊型反射式液晶投影系統I的實施例，包括光源模塊2，偏振光管理模塊3，圖像信息模塊4和投影鏡頭5。光源模塊2包括紅光LED 21、綠光LED 22、藍光LED 23、綠光勻光器211、綠光勻光器221和藍光勻光器231，紅光LED 21和紅光勻光器211相連，綠光LED 22和綠光勻光器221相連，藍光LED 23和藍光勻光器231相連紅光LED 21、綠光LED 22和藍光LED 23發(fā)射的三基色自然光分別經過紅光勻光器211、綠光勻光器221和藍光勻光器231后收集成為照明所需的小角度矩形光束。光管理模塊3由偏振合色單元、聚光透鏡32、偏振干涉濾光片33、第二 PBS 34依次同軸排列組成。本實施例中，偏振合色單元由第一 PBS 31、透紅反藍濾光片321、透藍反紅濾光片323和寬波段四分之一波片331組成。寬波段四分之一波片331膠合于第一 PBS 31的紅光入射面，再與透紅反藍濾光片321相膠合，透藍反紅濾光片323膠合于第一 PBS的藍光入射面。寬波段四分之一波片可將兩次通過其的三基色光偏振旋轉90度。透紅反藍濾光片321透射紅光LED 21發(fā)出的紅光212，而反射從藍光LED 23發(fā)出的藍光232。透藍反紅濾光片323透射藍光LED 23發(fā)出的藍光232，而反射從紅光LED 21發(fā)出的紅光212。聚光透鏡32和偏振干涉濾光片33位于第一 PBS 31和第二 PBS 34之間。偏振干涉濾光片33可以實現選擇性的光譜偏振旋轉，對于期望波段的偏振光旋轉90度，而其他波段的偏振光保持偏振態(tài)不變，從而實現不同基色偏振光的偏振整合。紅光光束212，綠光光束222，藍光光束232分別代表各基色勻光后的傳遞方向和對應的偏振態(tài)。圖像信號模塊4為一個反射式液晶投影光調制器件——LCoS芯片，位于第二 PBS36的一個直角邊，根據外圍控制電路(未畫出)提供的圖像信號，時序地將紅光光束212，綠光光束222和藍光光束232從第二偏振態(tài)調制為第一偏振態(tài)，以形成包含每種顏色成分的彩色圖像。投影鏡頭5位于第二 PBS 34的出射邊，將經過第二 PBS 34后的攜帶對應圖像信號的紅光光束212，綠光光束222和藍光光束232投影到屏幕上。在本實例中，攜帶各自圖像信號的三基色以3倍于幀數的速度依次通過投影鏡頭5投射出去。由于人眼無法分辨高速的幀數而合成真彩圖像。本實例只給出可行方案中的一種情況，其他光源布置方案也不脫離本實例的精神。在圖I的基礎上，下面再結合圖2、圖3和圖4來詳細解釋各基色光從各自光源2出發(fā)，如何在光管理模塊3中反射和透射，以及偏振態(tài)的變化等。圖2給出了紅光光束212的光線軌跡和偏振態(tài)。從紅光LED 21發(fā)出的光經過紅光勻光器211,透紅反藍濾光片321和寬波段四分之一波片331后進入第一 PBS 31。紅光被第一 PBS 31分解為相互正交的偏振光束S和P。P光直接透射出去，而S光被反射向藍光LED 23，透藍反紅濾光片323將紅光反射回原路，透過寬波段四分之一波片331和透紅返藍濾光片321后，返回到紅光LED 21。經過光源反射后，S偏振的紅光再次通過透紅反藍濾光片321和寬波段四分之一波片331。S偏振的紅光兩次通過寬波段四分之一波片331，其偏振態(tài)從S光變?yōu)镻光，進入第一 PBS 31后透射到后續(xù)光學系統。因此，出射的P偏振紅光可以看成兩部分，一部分是經過第一 PBS 31直接透射的部分，另一部分是本來的S偏振，經過透藍反紅濾光片323和寬波段四分之一波片331偏振轉換重復利用的部分。圖3給出了的綠光光束222的光線軌跡和偏振態(tài)。綠光LED 22發(fā)出的光經過綠光勻光器221后直接達到第一 PBS，被分解成相互正交的S光和P光。S偏振的綠光直接被反射出去，而P偏振的綠光則透過第一 PBS 31而不能被后續(xù)系統利用。 圖4給出了的藍光光束232的光線軌跡和偏振態(tài)。藍光LED 23發(fā)出的光經過藍光勻光器231和透藍反紅濾光片323后到達第一 PBS，被分解為相互正交的S光和P光。S偏振的藍光被反射向紅光LED 21，透過寬波段四分之一波片331后被透紅反藍濾光片321反射，再次經過寬波段四分之一波片331。S偏振的藍光兩次通過寬波段四分之一波片331后，其偏振態(tài)從S光變?yōu)镻光,從第一 PBS 31透射進入后續(xù)系統。而P偏振的藍光則透過第一 PBS 31而不能被后續(xù)系統利用。由此可見，從第一 PBS 31出射，經過聚光透鏡32達到偏振干涉濾光片33前的三基色偏振態(tài)是不同的。紅光212和藍光232為P偏振態(tài)，而綠光222為S偏振態(tài)。因此，必須采用具有選擇性光譜偏振旋轉特性的偏振干涉濾光片33，將三基色光的偏振態(tài)整合為同一偏振態(tài)。根據本實例的光引擎結構，偏振干涉濾光片33應將綠光222從S光旋轉90度后成為P光，而紅光212和藍光232則保持P偏振態(tài)不變。經過偏振干涉濾光片33對三基色偏振整合后，入射到第二 PBS 34的三基色光均為P偏振態(tài)。為了提高系統的對比度，也可以在第二 PBS 34前加清除偏振片(未畫出)。P偏振的三基色光被第二 PBS 34透射后，進入圖像調制模塊4。圖像調制模塊4根據輸入的圖像信號，依次將三基色光從P偏振轉變?yōu)镾偏振，經第二 PBS 34反射后進入到投影鏡頭5。值得注意，對于本發(fā)明的投影光學系統I可以做各種修改以滿足各種需求。例如，可以改變LED的相對位置，采用不同的濾光片來實現光路整合。根據LED的相對位置和濾光片特性不同，可以實現對紅光、綠光或者藍光的重復利用。相應地，各基色濾光片的特性和偏振干涉濾光片的光譜偏轉特性也應該根據光源位置的變化而重新設計。本實例中所采用三基色布局為第一 PBS反射綠光而透過紅光和藍光。這是因為通常PBS的反射率較高，而且透紅反藍濾光片或者透藍反紅濾光片中藍光和紅光的光譜波段較遠，對分色薄膜的加工要求低，成本更低。此外，綠光偏振干涉濾光片的光譜帶寬也適中，即不會出現色彩混疊，又不會泄露其它基色。本實施例只對某一基色的實現偏振光的重復利用，因此寬波段四分之一波片可以用對應基色四分之一波片代替，以節(jié)省成本。實施例2
圖5給出了本發(fā)明的第二個緊湊型反射式液晶投影系統I的實施例。相對于第一個實施例，第二個實施例將紅光LED 21與紅光勻光器件211和綠光LED 22與綠光勻光器件221位置對調，藍光LED 23和藍光勻光器件231保持不變。相對應地，用透綠反藍濾光片322代替透紅反藍濾光片321，用透藍反綠濾光片325代替透藍反紅濾光片323。本實施例可實現綠光的重復利用，從第一 PBS 31出射的綠光為P偏振態(tài)，紅光和藍光為S偏振態(tài)。此時，偏振干涉濾光片33應該選擇半波旋轉綠光而保持紅光和藍光偏振態(tài)不變。實施例3
圖6給出了本發(fā)明的第三個實施例。與第一個實施例相比，本實施例的不同之處在于偏振合色單元由第一 PBS 31、透紅反藍濾光片321、透綠反藍濾光片322、透藍反紅綠濾光片324和寬波段四分之一波片331組成。寬波段四分之一波片331和第二寬波段四分之一波片332分別膠合于第一PBS 31的紅光入射面和綠光入射面，再分別與透紅反藍濾光片321和透綠反藍濾光片322膠合，透紅反藍濾光片321位于第一 PBS 31的紅光入射面，透綠反藍濾光片322位于第一 PBS 31的綠光入射面。透藍反紅綠濾光片324膠合于第一 PBS 31的藍光入射面。透紅反藍濾光片321透射紅光LED 21發(fā)出的紅光212，而反射從藍光LED 23發(fā)出的藍光232。透綠反藍濾光片322透射綠光LED 22發(fā)出的綠光222，而反射從藍光LED 23發(fā)出的藍光232。透藍反紅綠濾光片324透射藍光LED 23發(fā)出的藍光232，而反射從紅光LED 21發(fā)出的紅光212和綠光LED 22發(fā)出的綠光222。聚光透鏡32和偏振干涉濾光片33位于第一 PBS 31和第二 PBS 34之間。偏振干涉濾光片33可以實現選擇性的光譜偏振旋轉，對于期望波段的偏振光旋轉90度，而其他波段的偏振光保持偏振態(tài)不變，從而實現不同光譜基色偏振光的偏振整合。紅光光束212，綠光光束222，藍光光束232分別代表各基色勻光后的傳遞方 向和對應的偏振態(tài)。圖7給出了第三個實施例中紅光212的光線軌跡和偏振態(tài)。從紅光LED 21發(fā)出的光經過紅光勻光器211，透紅反藍濾光片321和寬波段四分之一波片331后進入第一 PBS31。紅光被第一 PBS 31分解為相互正交的偏振光束S和P。P光直接透射出去，而S光被反射向藍光LED 23，透藍反紅綠濾光片324將紅光原路反射回去，經第一 PBS 31反射后依次透過寬波段四分之一波片331和透紅返藍濾光片321，返回到紅光LED 21。經過光源反射后，S偏振的紅光再次通過透紅反藍濾光片321和寬波段四分之一波片331。S偏振的紅光兩次通過寬波段四分之一波片331后,其偏振態(tài)從S光變?yōu)镻光,從第一 PBS 31透射,并與之前直接出射的P偏振紅光合并。因此，出射的P偏振紅光可以看成兩部分，一部分是經過第一 PBS 31直接透射的部分，另一部分是本來的S偏振，經過寬波段四分之一波片331和透藍反紅綠濾光片324偏振轉換重復利用的部分。圖8給出了第三個實施例中綠光222的光線軌跡和其偏振態(tài)。從綠光LED 22發(fā)出的光經過綠光勻光器221，透綠反藍濾光片322和寬波段四分之一波片331后進入第一 PBS31。綠光被第一 PBS 31分解為相互正交的偏振光束S和P。S光直接反射出去，而P光則透射向藍光LED 23，透藍反紅綠濾光片324將綠光原路反射回去，經第一 PBS 31透射后依次透過第二寬波段四分之一波片332和透綠返藍濾光片322，返回到綠光LED 22。經過光源反射后，P偏振的綠光再次通過透綠反藍濾光片322和寬波段四分之一波片331。P偏振的綠光兩次通過第二寬波段四分之一波片332后，其偏振態(tài)從P光變?yōu)镾光，從第一PBS 31反射出去，并與之前直接反射的S偏振的綠光合并。因此，出射的S偏振的綠光可以看成兩部分，一部分是經過第一 PBS 31直接反射的部分，另一部分是本來的P偏振，經過寬波段四分之一波片331和透藍反紅綠濾光片324偏振轉換重復利用的部分。圖9給出了第三個實施例中藍光232的光線軌跡和其偏振態(tài)。從藍光LED 22發(fā)出的光經過藍光勻光器231和透藍反紅綠濾光片324后進入第一 PBS 31。綠光被第一 PBS31分解為相互正交的偏振光束S和P。S光反射向紅光LED 21，而P光則透射向綠光LED22。S偏振的藍光經過寬波段四分之一波片331后被透紅反藍濾光片321反射再次經過寬波段四分之一波片331。兩次通過寬波段四分之一波片331，S偏振態(tài)的藍光變成P偏振態(tài)直接透過第一 PBS 31進入后續(xù)光學系統。P偏振的藍光經過第二寬波段四分之一波片332后被透綠反藍濾光片322反射再次經過第二寬波段四分之一波片332。兩次通過寬波段四分之一波片，P偏振態(tài)的藍光變成S偏振態(tài)被第一 PBS 31反射進入后續(xù)光學系統。因此，從第一 PBS出射的藍光同時具有S和P偏振。但對于后續(xù)光學系統，只能利用其中一種偏振態(tài)的光。可以選擇與綠光相同的S偏振態(tài)，也可以選擇與紅光相同的P偏振態(tài)，相應的偏振干涉濾光片的偏振旋轉特性也有所不同。也即是說，藍光只能利用一種偏振態(tài)的光，而另一種偏振態(tài)的光則不能被重復利用。其實，在實際的投影系統中，藍光所占的比重較少，即便不重復利用對整機的輸出亮度影響也不大，而且使得系統體積減小30%，這對于投影系統的微型化是有益的。值得注意，對于本發(fā)明的投影光學系統I可以做各種修改以滿足各種需求。例如，可以改變LED的相對位置，采用不同的濾光片來實現光路整合。根據LED的相對位置和濾光片特性不同，可以實現對紅光、綠光和者藍光三基色中的兩種基色光的重復利用。相應地，偏振干涉濾光片的選擇性光譜偏轉特性也應該根據光源位置的變化而重新設計。本實例中所采用三基色布局為第一 PBS反射綠光而透過紅光和藍光。這是因為通常PBS的反射率較高，因此有利于投影中比重最大的綠光。此外，綠光偏振干涉濾光片的光譜帶寬也適中，即不會出現色彩混疊，又不會泄露其它基色。
雖然已經參照所述實施例描述了本發(fā)明的各種特性和優(yōu)點，但本領域技術人員將會理解，可以對其部件的形狀，尺寸和布局等作出改變，而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。實例中，雖然已經顯示了具體的組件類型，但也可以使用其它類似的和合適的替代物。因此，以上描述意在提供本發(fā)明的示范實施例，而本發(fā)明范圍并不受此提供的具體范例的限制。
權利要求
1.一種緊湊型反射式液晶投影光引擎系統，它包括光源模塊(2)，偏振光管理模塊(3 )，圖像信息模塊(4 )和投影鏡頭(5 )等，所述光源模塊(2 )包括紅光LED (21)、綠光LED(22)、藍光LED (23)、紅光勻光器(211)、綠光勻光器(221)和藍光勻光器(231)等，紅光LED(21)和紅光勻光器(211)相連，綠光LED(22)和綠光勻光器(221)相連，藍光LED (23)和藍光勻光器(231)相連；光管理模塊(3)由偏振合色單兀、聚光透鏡(32)、偏振干涉濾光片(33)、第二 PBS(34)依次同軸排列組成；其特征在于，偏振合色單元由第一 PBS(31)、透紅反藍濾光片(321)、透藍反紅濾光片(323)和寬波段四分之一波片(331)組成，紅光LED(21)發(fā)出的紅光依次透過透紅反藍濾光片(321)和寬波段四分之一波片(331)進入第一 PBS (31)后，P偏振態(tài)的光直接透射出去，S偏振態(tài)的光依次經第一 PBS (31)、透藍反紅濾光片(323)和第一 PBS (31)反射后，透過寬波段四分之一波片(331)和透紅反藍濾光片(321)進入紅光LED (21)，被紅光LED (21)反射后再次透過透紅反藍濾光片(321)和寬波段四分之一波片(331)，變成P偏振態(tài)的光從第一 PBS (31)透射出去；綠光LED (22)發(fā)出的綠光進入第一PBS (31)后，S偏振態(tài)的光直接被反射出去；藍光LED (23)發(fā)出的藍光透過透藍反紅濾光片(323)進入第一 PBS (31)后，S偏振態(tài)的光由第一 PBS (31)反射,透過寬波段四分之一波片(331)，由透紅反藍濾光片(321)反射后再次透過寬波段四分之一波片(331)變成P偏振態(tài)的光，從第一 PBS (31)透射出去；從第一 PBS (31)出來的光依次透過聚光透鏡(32)、偏振干涉濾光片(33)和第二 PBS (34)后，由圖像信息模塊(4)反射回第二 PBS (34)，再由第二 PBS (34)反射至投影鏡頭(5)。
2.一種緊湊型反射式液晶投影光引擎系統，它包括光源模塊(2)，偏振光管理模塊(3 )，圖像信息模塊(4 )和投影鏡頭(5 )等，所述光源模塊(2 )包括紅光LED (21)、綠光LED(22)、藍光LED(23)、紅光勻光器(211)、綠光勻光器(221)和藍光勻光器(231)等，紅光LED(21)和紅光勻光器(211)相連，綠光LED(22)和綠光勻光器(221)相連，藍光LED (23)和藍光勻光器(231)相連；光管理模塊(3)由偏振合色單兀、聚光透鏡(32)、偏振干涉濾光片(33)、第二 PBS(34)依次同軸排列組成；其特征在于，偏振合色單元由第一 PBS(31)、透綠反藍濾光片(322)、透藍反綠濾光片(325)和寬波段四分之一波片(331)組成，綠光LED(22)發(fā)出的綠光依次透過透綠反藍濾光片(322)和寬波段四分之一波片(331)進入第一 PBS (31)后，P偏振態(tài)的光直接透射出去，S偏振態(tài)的光依次經第一 PBS (31)、透藍反綠濾光片(325)和第一 PBS (31)反射后，透過寬波段四分之一波片(331)和透綠反藍濾光片(322)進入綠光LED (22)，被綠光LED (22)反射后再次透過透綠反藍濾光片(322)和寬波段四分之一波片(331)，變成P偏振態(tài)的光從第一 PBS (31)透射出去；紅光LED (22)發(fā)出的紅光進入第一PBS (31)后，S偏振態(tài)的光直接被反射出去；藍光LED (23)發(fā)出的藍光透過透藍反綠濾光片(325)進入第一 PBS (31)后，S偏振態(tài)的光由第一 PBS (31)反射,透過寬波段四分之一波片(331)，由透綠反藍濾光片(322)反射后再次透過寬波段四分之一波片(331)變成P偏振態(tài)的光，從第一 PBS (31)透射出去；從第一 PBS (31)出來的光依次透過聚光透鏡(32)、偏振干涉濾光片(33)和第二 PBS (34)后，由圖像信息模塊(4)反射回第二 PBS (34)，再由第二 PBS (34)反射至投影鏡頭(5)。
3.一種緊湊型反射式液晶投影光引擎系統，它包括光源模塊(2)，偏振光管理模塊(3 )，圖像信息模塊(4 )和投影鏡頭(5 )等，所述光源模塊(2 )包括紅光LED (21)、綠光LED(22)、藍光LED(23)、紅光勻光器(211)、綠光勻光器(221)和藍光勻光器(231)等，紅光LED(21)和紅光勻光器(211)相連，綠光LED (22)和綠光勻光器(221)相連，藍光LED (23)和藍光勻光器(231)相連；光管理模塊(3)由偏振合色單兀、聚光透鏡(32)、偏振干涉濾光片(33)、第二 PBS (34)依次同軸排列組成；其特征在于，偏振合色單元由第一 PBS (31)、透紅反藍濾光片(321)、透藍反紅綠濾光片(324)、透綠反藍濾光片(322)、寬波段四分之一波片(331)和第二寬波段四分之一波片(332)和組成；紅光LED (21)發(fā)出的紅光依次透過透紅反藍濾光片(321)和寬波段四分之一波片(331)進入第一 PBS (31)后，P偏振態(tài)的光直接透射出去，S偏振態(tài)的光依次經第一 PBS (31)、透藍反紅綠濾光片(324)和第一 PBS (31)反射后，透過寬波段四分之一波片(331)和透紅反藍濾光片(321)進入紅光LED (21)，被紅光LED (21)反射后再次透過透紅反藍濾光片(321)和寬波段四分之一波片(331)，變成P偏振態(tài)的光從第一 PBS (31)透射出去；綠光LED (22)發(fā)出的綠光進入第一 PBS (31)后，依次透過透綠反藍濾光片(322)和第二寬波段四分之一波 片(332)進入第一 PBS (31)后，S偏振態(tài)的光直接被第一 PBS (31)反射出去，P偏振態(tài)的光透過第一 PBS (31)、由透藍反紅綠濾光片(324)反射后再依次透過第一 PBS (31)，第二寬波段四分之一波片(332)和透綠反藍濾光片(322)進入綠光LED (22)，被綠光LED (22)反射后再次透過透綠反藍濾光片(322)和第二寬波段四分之一波片(332)，變成S偏振態(tài)的光從第一 PBS (31)反射出去；藍光LED(23)發(fā)出的藍光透過透藍反紅綠濾光片(324)進入第一 PBS (31)后，S偏振態(tài)的光由第一PBS (31)反射，透過寬波段四分之一波片(331)，由透紅反藍濾光片(321)反射后再次透過寬波段四分之一波片331變成P偏振態(tài)的光,從第一 PBS (31)透射出去，P偏振態(tài)的光由第一 PBS (31)透射，透過第二寬波段四分之一波片(332)，由透綠反藍濾光片(322)反射后再次透過第二寬波段四分之一波片(332)變成S偏振態(tài)的光，從第一 PBS (31)反射出去；從第一 PBS (31)出來的光依次透過聚光透鏡(32)、偏振干涉濾光片(33)和第二 PBS (34)后，由圖像信息模塊(4)反射回第二 PBS (34)，再由第二 PBS (34)反射至投影鏡頭(5)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種緊湊型的反射式液晶投影光引擎系統。該光引擎系統由光源模塊，偏振光管理模塊，圖像信號模塊和投影鏡頭組成。光源模塊由三基色固體光源和勻光器件組成，為投影提供色彩飽和的三基色照明。偏振光管理模塊由偏振分束棱鏡(PBS)，基色濾光片及偏振合色器件等組成，將不同偏振態(tài)的三基色光整合為同一偏振光并重復利用某種基色的另一偏振光，以提升光學利用率；圖像信號模塊為單片反射式液晶光調制器件，根據各基色對應的圖像信號，時序地將圖像信號加載于三基色偏振光；投影鏡頭將攜帶圖像信號的光投影于屏幕上。
文檔編號G02B27/28GK102621790SQ201210117198
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權日2012年4月20日
發(fā)明者賀銀波, 陸巍 申請人:杭州研明光電技術有限公司