[发明专利]紧凑型反射式液晶投影光引擎系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种投影显示系统，尤其涉及一种紧凑型反射式液晶投影显示的光引擎系统。

背景技术

投影显示已经成为大屏幕高清晰动态显示的主流方式，广泛应用于商务、教育、科研、娱乐以及家庭等重要环节。近些年，随着微电子、光学、加工工艺等诸多技术的迅猛发展，以及现代商务移动办公模式的普及和手持数码产品的增多，微型化又成为投影显示技术发展的新方向。微型投影机具有轻巧和使用方便等显著优点，可与各类消费电子产品相结合，这使得微型投影的应用变得无限广阔。

微型投影机对亮度、分辨率、体积、功耗、成本以及散热等都有严格的要求。要实现高亮度、高分辨率、小体积、低功耗和低成本的微型投影系统，就必须在光源、光调制器件、光学系统和光学器件等多方面做很大的改进甚至革新。

目前，微型投影主要以DLP（Digital Lighting Processor）和LCoS（Liquid Crystal on Silicon）技术为主。DLP和LCoS技术均为阵列反射式投影技术。DLP技术具有反射率高且无需偏振光等优点，但其芯片DMD（Digital Mirror Device）制程极其复杂，为TI公司独家掌控。LCoS技术具有高分辨率和低成本等优势，色彩丰富，图像逼真，加之技术上的开放性，非常适合微型投影对高分辨率和低成本的苛刻要求。但是，由于基于偏振光调制，LCoS投影系统的光能利用率偏低，且体积较大，这已经阻碍了投影系统的微型化。因此，一种小体积且高光利用率的光学系统，成为微型投影发展的诉求。

目前的微型投影系统大多采用LED作为照明光源。LED属于冷光源，且具有体积小、寿命长、响应快及节能环保等优点。采用三基色LED作为光源，可以大幅提升投影机的色域表现能力。这些独特的优点，决定了LED光源在微型显示中的重要地位。但在微型投影应用上，仍然存在LED光通量不高，且单位光学扩展量上的光通量低于传统投影光源，以及发热量过大等问题。随着市场的发展，各LED厂商也在不断开发适用于微型投影的LED光源。例如，欧司朗(OSRAM)在2011年底研制出电光转换效率高达61%的红光LED（主波长为609nm）。在1mm²的芯片，工作电流为40mA时可实现光效高达201 lm/W，而在350mA的典型工作电流下仍可提供168 lm/W的高光效。发光效率越高，芯片面积越小，这给微型投影光学系统设计带来更大的空间。

虽然投影用LED光源已有很大的提升，但投影机的输出亮度仍然不高。要进一步提高微型投影的性能，就必须有一个高效的偏振光管理系统-----光引擎。为了提高整机亮度和色彩饱和度，现在普遍采用三基色LED作为照明光源。利用LED本身所具有的快速响应特性，为单片式微型投影芯片提供脉冲照明。传统的微型投影光引擎基本采用X-Cube棱镜（US6018418）和双二向分色镜的方法实现。对于X-Cube结构，三基色光源位于其三个边，由于三基色光在光谱上的不同，合成共路光束，从X-Cube的第四边出射。采用双二向分色镜结构，其中的两基色先经过第一块二向分色镜后合成为第三种基色的补色，之后再经过第二块二向分色镜合成为共路光束。X-Cube结构紧凑，光收集率较高，但其合色效率很低。双二向色镜(Dichroic Mirror)合色效率较高，但光收集率低且体积偏大。若改用二向色棱镜(Dichroic Prism)代替二向色镜，虽然光线收集率和合色效率都有所提高，但以体积、重量和成本为代价。此外，无论采用哪种传统的方式合成三基色共路光，都需要经过起偏器产生液晶显示所需的偏振光，这意味着在光源部分就有一半的光能量损失掉，使得整机的光能利用率大大降低。可见，传统的光引擎已经成为微型投影发展的一个瓶颈。

申请人申请的专利（专利申请号为201110168636.3）提供了一种全新的反射式投影光引擎结构。该结构采用三基色LED照明，利用偏振分束棱镜（PBS: Polarization Beam Splitter）和偏振干涉滤光片组成的偏振整合光路，将不同偏振态的三基色光整合为同一偏振光并照向图像调制器件。同时采用光回收结构，将第一次未进入后续光路的光经偏振旋转后被重复利用，可有效利用三基色光的两种偏振态。该光引擎光利用率高，但体积和成本上不占优势。若光引擎能保证结构上的紧凑性，又能重复利用光源能量，将极为有利投影系统的微型化。

发明内容