专利名称：光投影引擎设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微显示投影系统，尤其涉及一种应用反射微显示成像仪和偏振分
束器的光投影设备。
背景技术：
微显示投影系统通常应用透射或反射微显示成像仪，如光阀或光阀阵列等，用于 将图像施加于照明光束上。反射光阀相对于透射光阀的优点在于反射光阀允许在反射表面 背面放放置控制电路，并且由于其不透明性不会限制基板材料，因此可以应用更先进的集 成电路技术。 反射式液晶硅(Liquid-Crystal-On-Silicon，简称LC0S)成像仪旋转入射光的 偏振方向，使偏振光被成像仪反射时，其偏振态大致保持不变或旋转一定的偏振角度以提 供期望的灰阶。因此，偏振光束通常被用作反射式LC0S成像仪的输入光束，而偏振分束器 (Polarizing Beam Splitter,简称PBS)通常用于将入射光束拆分成两个偏振态相互垂直 的偏振光束。 如图1所示，为广泛应用的便携手持式投影显示装置，一种典型的光投影引擎装 置500应用一个LC0S调制成像仪110及一个PBS200，以形成最简单但最紧凑的结构。这种 仅包含一个PBS200和一个调制成像仪110的迪卡尔光投影引擎装置500的一个最明显的 缺陷是照明光中只有一种偏振态下的有限部分能够照射到调制成像仪110，因此，当调制成 像仪110进行调制和反射后，通过投影透镜系统300投影到投影屏幕390上的总的照明光 受到了限制。另外，现有的PBS200通常由包含有机物的多层薄膜或聚合物材料制成，易于 受到强烈的可见光或红外光辐射的破坏，并且这种多层薄膜与线栅偏振器相比，可供极化 的光接收角度很窄。
发明内容
本发明实施例提供了一种光投影引擎设备，以提高偏振照明光的利用率。
本发明一方面提供了一种光投影引擎设备，其中包括 光源，用于沿第一方向发出处于第一偏振态的第一照明光和处于第二偏振态的第 二照明光，所述第二偏振态与所述第一偏振态垂直； 偏振分束器PBS，用于反射所述处于第一偏振态的第一照明光并透射处于第二偏 振态的第二照明光，所述PBS与所述第一方向之间具有向角，使所述处于第一偏振态的第 一照明光的反射量与处于第二偏振态的第二照明光的透射量的最大比值接近1 ;所述PBS 为线栅偏振器，由对称平行嵌入于透明固体板中的加长平行反射金属精密组件构成；
第一调制成像仪，包括多个具有规则平铺平面结构的调制成像仪象素，用于a) 接收由所述S反射的处于第一偏振态的至少部分第一照明光，成为沿第二方向的第一入射 光；b)将该至少部分第一入射光从第一偏振态偏振调制为第二偏振态；及c)将偏振调制光 反射回所述S成为处于第二偏振态的第一偏振调制光，所述PBS对所述第一偏振调制光进行透射，成为处于第二偏振态的第一投影光； 第二调制成像仪，具有与所述第一调制成像仪结构相同的调制成像仪象素，用于 a)接收穿过所述PBS透射过来的处于第二偏振态的至少部分第二照明光，成为第二入射 光；b)将该至少部分第二入射光从第二偏振态偏振调制为第一偏振态；及c)将所述偏振调 制光沿第三方向反射回所述PBS，成为处于第一偏振态的第二偏振调制光；所述PBS将处于 第一偏振态的第二偏振调制光反射成为沿第四方向的第二投影光；其中，所述第一调制成 像仪和第二调制成像仪空间对齐，使得所述第一投影光13沿第四方向与所述第二投影光 重叠； 投影透镜系统，与所述第一调制成像仪相对，用于a)接收处于第二偏振态的至 少部分第一投影光及处于第一偏振态的至少部分第二投影光；及b)将包括处于第二偏振 态的第一投影光及处于第一偏振态的第二投影光的重叠光束均投影到投影屏幕上；以及
控制指令提供装置，用于以同步方式向所述第一调制成像仪提供第一调制指令串 并向所述第二调制成像仪提供第二调制指令串。 本发明实施例通过改进来自于PBS的偏振照明光的利用率，提高了调制和图像形 成的光效率。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。 图1显示了现有技术中由单个调制成像仪和单个PBS构成的简单紧凑的投影系统 的一例； 图2显示了本发明实施例一所述光投影引擎装置的基本结构；
图3显示了本发明实施例二所述光投影引擎装置的基本结构；
图4显示了本发明实施例三所述光投影引擎装置的基本结构；
图5显示了本发明实施例四所述光投影引擎装置的基本结构；以及
图6显示了本发明实施例五所述光投影引擎装置的基本结构。
具体实施例方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明各实施例可以应用于各种微显示投影系统，尤其涉及一种光投影引擎设 备，应用一个PBS和一对结构相似但与PBS对称设置的偏振调制成像仪，可以改进光效率及 三维立体显示的扩展功能。但本发明实施例并未进行限定，通过以下提供的实例可以获得 各方面的改变。 图2显示了本发明实施例一所述光投影引擎设备的基本结构。该光投影引擎装置500的精密结构包括光源400、PBS 200、两个成对的调制成像仪(即，第一调制成像仪110 和第二调制成像仪120)、及投影透镜系统300。其中，PBS200为线栅偏振器230，由对称平 行嵌入于透明固体板238中的加长平行反射金属精密组件235构成。该加长平行反射金属 精密组件235可以由铝制成。与现有的多层聚合物薄膜不同的是，这种线栅偏振器230具有 较宽的光接收角度，从而当PBS200的向角被设置为45度时，也能够满足对来自于光源400 的光进行反射的需要。另外，这种线栅偏振器230还具有优良的耐热性，不会随着光照时间 的增加而急剧上升，因此不会受到强烈的可见光或红外光辐射的破坏，具有较高的工作稳 定性。 如图2所示，光源400沿第一方向51向PBS200发出照明光，其中包括处于第一 偏振态1的第一照明光10及处于第二偏振态2的第二照明光20，其中第二偏振态2与第一 偏振态1相垂直。PBS200与第一方向51之间具有向角209，该PBS200用于主要反射处于 第一偏振态1的第一照明光10并主要透射处于第二偏振态2的第二照明光20。 PBS200与 第一方向51之间的向角209使处于第一偏振态1的第一照明光10沿第二方向52的反射 量与处于第二偏振态2的第二照明光20继续沿第一方向51的透射量的最大比值接近1。
第一调制成像仪110包括多个调制成像仪象素105，如图2所示为规则平铺平面结 构。第一调制成像仪110用于a)接收由PBS200反射的处于第一偏振态1的至少部分第 一照明光IO，成为沿第二方向52的第一入射光11 ;b)将该至少部分第一入射光11从第一 偏振态1偏振调制为第二偏振态2 ;c)将偏振调制光反射回PBS200成为处于第二偏振态2 的第一偏振调制光12，此后，PBS200对第一偏振调制光12进行透射，使其成为沿第四方向 62处于第二偏振态2的第一投影光13，其中，第四方向62与第二方向52平行且相反。
第二调制成像仪120上的调制成像仪象素105结构与第一调制成像仪110相同， 第二调制成像仪120与第一调制成像仪110相对于PBS200对称并面向光源400，第二调制 成像仪120用于a)接收沿第一方向51穿过PBS200透射过来的处于第二偏振态2的至少 部分第二照明光20，成为第二入射光21 ;b)将该至少部分第二入射光21从第二偏振态2偏 振调制为第一偏振态1 ;以及c)将偏振调制光沿第三方向61反射回PBS 200，使其成为处 于第一偏振态1的第二偏振调制光22，其中第三方向61与第一方向51平行且相反。
可选地，上述两个调制成像仪，即第一调制成像仪110和第二调制成像仪120，可 以在他们的调制成像仪象素105上进一步覆盖相同且对称的彩色滤光阵列，用于构成投射 且显示到投影屏幕390上的重叠图像的色彩方案。所述第一调制成像仪110及所述第二调 制成像仪120为LCOS微显示面板，所述第二调制成像仪120与所述第一调制成像仪110的 几何结构相同且平面对称。 本实施例使用两个相似的LCOS成像仪作为第一偏振调制成像仪110及第二调制 成像仪120，在空间上相对于PBS200完全对称。这种相似且对称的成对LCOS调制成像仪能 够提供偏振调制并反射放射偏振光，较佳地使偏振方向改变90度，从而从第一偏振态1变 为第二偏振态2，或者反之从第二偏振态2变为第一偏振态1。 PBS200将处于第一偏振态1的第二偏振调制光22反射成为沿第四方向62的第二 投影光23 ;第一调制成像仪110和第二调制成像仪120空间对齐，使得第一投影光13沿第 四方向62与第二投影光23重叠，照射于与第一调制成像仪110相对的投影透镜系统300 上。该投影透镜系统300用于a)接收处于第二偏振态2的至少部分第一投影光13及处于第一偏振态l的至少部分第二投影光23，这两束光均沿第四方向62 ;以及b)将包括处于第二偏振态2的第一投影光13及处于第一偏振态1的第二投影光23的重叠光束均投影到投影屏幕390上。 如图2所示，控制指令提供装置600向第一调制成像仪110提供第一调制指令串610用于偏振调制处于第一偏振态1的第一入射光11，并向第二调制成像仪120提供第二调制指令串620用于偏振调制处于第二偏振态2的第二入射光21，其中，第一调制指令串610与第二调制指令串620恒定同步，以使成对的第一调制成像仪110及第二调制成像仪120上进行的图像调制相对于PBS200完全空间对称。这种对称结构有利于使投影屏幕390上的投影图像110a' -110b'和投影图像120a' -110b'之间完全对齐重叠，其中，投影图像110a' -110b'是由第一调制成像仪110上产生的原始图像110a-110b进行光放大投影后形成的，投影图像120a' -110b'是由第二调制成像仪120上产生的原始图像120a-110b进行光放大投影后形成。 在本实施例中，为了改进光投影引擎装置500到投影屏幕390的总的光效率第一调制指令串610与第二调制指令串620相似且相对于PBS200对称。因此，利用处于第一偏振态1的第一入射光11及处于第二偏振态2的第二入射光21由成对的调制成像仪(即，第一调制成像仪110和第二调制成像仪120)产生调制图像。最终使用于进行图像显示的两束投影光，即第一投影光13和第二投影光23投射到投影屏幕390上，从而改进了所投射的重叠图像的总体亮度和对比度。 在本实施例的另一特别方式中，同一光投影引擎装置500的第一调制指令串610和第二调制指令串620可以用于联合构建一对三维立体图像，形成立体三维显示通过投影透镜系统300投射于投影屏幕390上。在恒定同步条件下由处于第二偏振态2的第一投影光13和处于第一偏振态1的第二投影光23重叠而形成两组立体图像(即处于第二偏振态2的第一投影图像110a' -110b'和处于第一偏振态1的第二投影图像120a' -120b')，通过在恒定同步条件下引入来自于控制指令提供装置600的分别对应于一对縮微立体图像(即位于第一调制成像仪110上的第一原始图像110a-110b及位于第二调制成像仪120上的第二原始图像120a-120b)第一调制指令串610和第二调制指令串620的第一调制成像仪110和第二调制成像仪120而产生第一投影光13和第二投影光23，最终经过光放大和投影显示到投影屏幕390上。在投影屏幕390上显示的图像，即发起于第一调制成像仪110的处于第二偏振态2的第一投影图像110a'-110b'及发起于第二调制成像仪120的处于第一偏振态1的第二投影图像120a'-120b'，以两个垂直的偏振态投射于投影屏幕390上，在投影屏幕390上显示的该图像可以借助处于两个相应垂直偏振态的一副眼镜进行观察。因此，本实施例通过向一对调制成像仪发送用于形成一对立体图像的调制指令串，能够经由投影透镜系统在投影屏幕上投影显示立体三维图像。 图3显示了本发明实施例二所述光投影引擎装置的基本结构。该光投影引擎装置500中的第一调制成像仪110具体可以包括第一偏光板(polarization shift plate) 130及第一强度调制成像仪140 ;第二调制成像仪120具体可以包括第二偏光板150及第二强度调制成像仪160。其中所述第一偏光板130用于将处于第一偏振态1的第一入射光11透射并以相对于第一偏振态1的第一偏光角度偏振为处于第三偏振态3的第一偏光入射光lla。第一强度调制成像仪140将处于第三偏振态3的第一偏光入射光lla强度调制并反射为仍处于第三偏振态3的第一偏光调制反射光12a。其中所述第一偏光角度和所述第二偏光角度的和等于90或270度。第一偏光板130进一步进行透射，并以第二偏光角度将第一偏光调制反射光12a偏振为处于第二偏振态2的第一偏振调制光12。
运行于空间对称条件下，第二偏光板150将处于第二偏振态2的第二入射光21透射并以相对于第二偏振态2的第三偏光角度偏振为处于第四偏振态4的第二偏光入射光21。同时，第二强度调制成像仪160将处于第四偏振态4的第二偏光入射光21a强度调制并反射为仍处于第四偏振态4的第二偏光调制反射光22a。其中所述第一偏光角度和所述第二偏光角度等于90或270度，第二偏光板140进一步进行透射，并以第四偏光角度将处于第四偏振态4的第二偏光调制反射光22a偏振为处于第一偏振态1的第二偏振调制光22。
微电气机械干涉象素阵列器件，即电流光阀(Galvanic Light Vavle，简称GLV)阵列器件，可以作为本实施例所述光投影引擎装置500中的成对的第一强度调制成像仪140及第二强度调制成像仪160的例子，与成对的第一偏光板130及第二偏光板150相关联。该象素阵列器件为图3所示的入射照明光(偏振光或非偏振光)提供反射强度调制。
图4显示了本发明实施例三所述光投影引擎装置的基本结构。该光投影引擎装置500中除了具有光源400以外，还包括光调节器410，用于将光源向400向PBS200发出的光调节为组合有处于第一偏振态1的第一照明光10及处于第二偏振态2的第二照明光20的照明光。光源400提供的光在照射到PBS200之前由光调节器410进行调节，从而将光源400发出的光的特性变为投影显示所需的特性。例如，光调节器410可以更改光的色散性、光的偏振态、光谱、或这些特性的组合。光调节器410可以包括一个或多个用于改变光色散性的透镜、偏振转换器、和/或用于提供处于特定偏振态的光的前置偏振器、和/或用于去除不需要的紫外光、和/或红外光的滤光片、或这些组件的组合。另外，该光调节器410还可以包括积分器，如隧道积分器，用于均匀引导到PBS200的光束的整个光的强度。
图5显示了本发明实施例四所述光投影引擎装置的基本结构。该光投影引擎装置500包括一对棱镜，即第一棱镜210及第二棱镜220，用于夹持PBS200并与PBS200形成方形光引擎核心。PBS200具有接近45度的向角。因此，由第一棱镜210和第二棱镜220夹持的线栅偏振器230沿其中心平面239物理对称，并在其两侧相对于两对方向进行对称反射及透射，其中的两对方向是指相对于位于线栅偏振器230 —侧的用于入射的第一方向51和用于反射的第二方向52形成的第一对方向及位于线栅偏振器230另一侧的用于入射的第三方向61和用于反射的第四方向62形成的第二对方向。较佳的是，该对棱镜，即第一棱镜210和第二棱镜220由精密抛光玻璃切割件制成，透明固体板238由具有足够光学指标及厚度的二氧化硅制成。 图6显示了本发明实施例五所述光投影引擎装置的基本结构。该光投影引擎装置500具有紧凑结构，其中的第一调制成像仪110被进一步充分贴附于第一棱镜210面向投影透镜系统300的相应表面，且第二调制成像仪120被进一步充分贴附于第二棱镜220面向光源400的相应表面，构成紧凑的方形光引擎核心，实质性地改进了光投影引擎装置500所有核心组件的物理集成度及整个光投影引擎装置500的光学性能。第一调制成像仪110及第二调制成像仪120牢牢地装设于第一棱镜210第二棱镜220上，形成一个结合在一起的固体块，将PBS200夹持于对角线上。具体地，所述第一调制成像仪110可以装设于第一棱镜210上，位于所述投影透镜系统300的对面，所述第二调制成像仪120可以装设于所述第二棱镜220上，位于所述光源400的对面。 上述举例及公开的光投影引擎装置500中的光源400可以为任意适合的光源，包括传统光源，如弧光灯、钨丝灯、図灯等，并且可选地也可以为发光二极管和激光器。
最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
权利要求
一种光投影引擎设备，其中包括光源，用于沿第一方向发出处于第一偏振态的第一照明光和处于第二偏振态的第二照明光，所述第二偏振态与所述第一偏振态垂直；偏振分束器PBS，用于反射所述处于第一偏振态的第一照明光并透射处于第二偏振态的第二照明光，所述PBS与所述第一方向之间具有向角，使所述处于第一偏振态的第一照明光的反射量与处于第二偏振态的第二照明光的透射量的最大比值接近1；所述PBS为线栅偏振器，由对称平行嵌入于透明固体板中的加长平行反射金属精密组件构成；第一调制成像仪，包括多个具有规则平铺平面结构的调制成像仪象素，用于a)接收由所述S反射的处于第一偏振态的至少部分第一照明光，成为沿第二方向的第一入射光；b)将该至少部分第一入射光从第一偏振态偏振调制为第二偏振态；及c)将偏振调制光反射回所述S成为处于第二偏振态的第一偏振调制光，所述PBS对所述第一偏振调制光进行透射，成为处于第二偏振态的第一投影光；第二调制成像仪，具有与所述第一调制成像仪结构相同的调制成像仪象素，用于a)接收穿过所述PBS透射过来的处于第二偏振态的至少部分第二照明光，成为第二入射光；b)将该至少部分第二入射光从第二偏振态偏振调制为第一偏振态；及c)将所述偏振调制光沿第三方向反射回所述PBS，成为处于第一偏振态的第二偏振调制光；所述PBS将处于第一偏振态的第二偏振调制光反射成为沿第四方向的第二投影光；其中，所述第一调制成像仪和第二调制成像仪空间对齐，使得所述第一投影光13沿第四方向与所述第二投影光重叠；投影透镜系统，与所述第一调制成像仪相对，用于a)接收处于第二偏振态的至少部分第一投影光及处于第一偏振态的至少部分第二投影光；及b)将包括处于第二偏振态的第一投影光及处于第一偏振态的第二投影光的重叠光束均投影到投影屏幕上；以及控制指令提供装置，用于以同步方式向所述第一调制成像仪提供第一调制指令串并向所述第二调制成像仪提供第二调制指令串。
2. 根据权利要求1所述装置，其中所述第一调制指令串与所述第二调制指令串恒定同 步，使得所述第一调制成像仪及所述第二调制成像仪上进行的图像调制相对于所述PBS完 全空间对称。
3. 根据权利要求1所述装置，其中所述第一调制指令串及所述第二调制指令串用于联 合构建一对三维立体图像，形成立体三维显示通过所述投影透镜系统投射于所述投影屏幕 上，包括分别由处于第二偏振态的第一投影光和处于第一偏振态的第二投影光形成的两组
4. 根据权利要求1或2或3所述装置，其中所述第一调制成像仪及所述第二调制成像 仪为液晶硅微显示面板，所述第二调制成像仪与所述第一调制成像仪的几何结构相同且平 面对称。
5. 根据权利要求1或2或3所述装置，其中所述第一调制成像仪包括 第一偏光板，用于将处于第一偏振态的第一入射光透射并以相对于第一偏振态的第一偏光角度偏振为处于第三偏振态的第一偏光入射光；以及第一强度调制成像仪，用于将处于第三偏振态的第一偏光入射光强度调制并反射为仍 处于第三偏振态的第一偏光调制反射光；其中所述第一偏光角度和所述第二偏光角度的和等于90或270度，所述第一偏光板进 一步用于进行透射，并以第二偏光角度将第一偏光调制反射光偏振为处于第二偏振态的第 一偏振调制光。
6. 根据权利要求5所述装置，其中所述第一强度调制成像仪包括微电气机械干涉象素 阵列。
7. 根据权利要求1或2或3所述装置，其中所述第二调制成像仪包括 第二偏光板，用于将处于第二偏振态的第二入射光透射并以相对于第二偏振态的第三偏光角度偏振为处于第四偏振态的第二偏光入射光；以及第二强度调制成像仪，用于将处于第四偏振态的第二偏光入射光强度调制并反射为仍 处于第四偏振态的第二偏光调制反射光；其中所述第一偏光角度和所述第二偏光角度等于90或270度，所述第二偏光板进一步 用于进行透射，并以第四偏光角度将处于第四偏振态的第二偏光调制反射光偏振为处于第 一偏振态的第二偏振调制光。
8. 根据权利要求7所述装置，其中所述第二强度调制成像仪包括微电气机械干涉象素 阵列。
9. 根据权利要求1或2或3所述装置，其中所述PBS进一步由第一棱镜及第二棱镜夹 持，具有接近45度的向角，形成方开光引擎核心。
10. 根据权利要求9所述装置，其中所述第一棱镜及所述第二棱镜由精密抛光玻璃切 割件制成。
11. 根据权利要求9所述装置，其中所述第一调制成像仪装设于第一棱镜上，位于所述 投影透镜系统的对面，所述第二调制成像仪装设于所述第二棱镜上，位于所述光源的对面。
12. 根据权利要求1所述装置，其中所述线栅偏振器中，所述加长平行反射金属精密组 件由铝制成；所述透明固体板由二氧化硅制成。
13. 根据权利要求1或2或3所述装置，其中所述第一调制成像仪及所述第二调制成像 仪均进一步包括相同的彩色滤光阵列，与所述多个调制成像仪象素对齐并重叠，与所述PBS 成镜面对称。
14. 根据权利要求1或2或3所述装置，其中进一步包括调节器，用于将光源向所述PBS 发出的光调节为组合有处于第一偏振态的第一照明光及处于第二偏振态的第二照明光的 照明光。
15. 根据权利要求1或2或3所述装置，其中所述光源由弧光灯、钨丝灯、図灯、发光二 极管和激光器中的任一或任意组合产生。
全文摘要
本发明实施例提供了一种光投影引擎设备，其中包括光源、采用对称线栅偏振器的PBS、第一调制成像仪、第二调制成像仪、投影透镜系统、及控制指令提供装置本发明实施例通过改进来自于PBS的偏振照明光的利用率，提高了调制和图像形成的光效率。
文档编号G02B27/28GK101702072SQ200910209339
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月4日 优先权日2008年11月6日
发明者唐德明 申请人:唐德明