[发明专利]一种基于光栅光调制器的微型投影显示系统

说明书

技术领域：

本发明涉及一种基于光栅光调制器实现投影显示的系统，该系统以大功率LED作为照明光源，采用TIR透镜、梯形光棒及聚光透镜组实现光束的收集与均匀化，再通过4f滤波成像系统实现信号处理与图像显示，是一种新型投影显示系统。

背景技术：

迄今为止投影显示市场主要为LCD和DMD(数字微镜)所占领，此外基于MEMS技术的迅速发展，基于GLV(光栅光阀)、TMA(薄膜微镜阵列)等器件的投影显示系统也正处于研究阶段。

LCD透射微投影主要采用单片式白光光源通过三色色彩空间合成的成像机制，由于受到偏光的限制，芯片功耗不高但光效率较其他芯片偏低，另外受到微加工工艺的限制，进一步缩小尺寸同时提高分分辨率困难较大。

DMD是利用反射微镜的偏转来实现对光路的调制，但其多层结构工艺导致了制作过程十分复杂，从而导致良品率较低，在微型投影显示领域技术尚不成熟，并且芯片组只能由德州仪器公司(TI)提供，技术受到专利保护。

GLV是一个线阵结构，要实现二维的图像显示，需要增加一个扫描装置，该装置不但增加系统的复杂程度，也增大了系统的体积，不利于系统的微型化。

TMA在光学原理上也是基于反射原理，但其三层结构也导致工艺较复杂，并且它是采用压电材料的电致伸缩特性来控制微镜的偏转，受到压电材料本身特性的影响，要实现二维微镜的快速偏转和精确定位比较困难，难以满足显示的要求。

光栅光调制器作为一种具有自主知识产权的MEMS显示器件克服了DMD和GLV的不足，在微投影显示上具有较大的潜力。并且迄今为止，尚未有将LED作为其照明光源进行微型投影显示系统设计的相关报道。

发明内容：

本发明提出了一种将大功率LED用作光栅光调制器的照明光源实现微型投影显示的系统。

一种基于光栅光调制器实现投影显示的微型投影系统，其包括大功率三基色LED、TIR透镜、X透镜、梯形光棒、聚光透镜组、光栅光调制器和4F成像系统；所述大功率三基色LED的蓝光LED、红光LED和绿光LED分别对应一个TIR透镜，并且这三个TIR透镜分别设置在X透镜的三个入射面上；在X透镜的出射面布置光棒，所述聚光透镜组和光栅光调制器依次布置在光棒的出射端，光棒出射端和聚光透镜组与光栅光调制器之间的位置关系满足物方远心照明条件，实现光栅面的均匀照明；所述4F成像系统布置在光栅光调制器之后，光栅光调制器和4F成像系统满足成像关系，从而可以在像面上实现图象显示。

该系统在照明系统部分采用LED光源照明，并选用TIR透镜进行光线汇聚成圆斑照明，再进一步通过梯形光棒进行光束整形成均匀方斑照明，同时减小光束的发散角，系统中TIR透镜和光棒材料均采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，方便使用注塑手段进行大规模批量生产。同时考虑到光栅光调制器的衍射和反射原理，在光棒末端与光栅光调制器之间设置一组五片式焦距为15.00mm的聚光透镜组来充分利用光通量，从而实现物方远心照明系统以达到光束的传递与照明。在成像系统部分，采用4f成像系统，由两组完全相同的透镜组组成，在满足系统的MTF截止频率条件下将光线像差及畸变控制在合理范围内。整个光学系统的总体长度、高度和宽度控制在一定范围内，实现了投影显示的微型化。

本发明提出将大功率LED作为光栅光调制器的照明光源，其主要起三种作用：一是降低光源成本，从而达到降低系统成本的目的；二是通过减小光源体积，可以减小系统的体积，利于系统的微型化；三是利用三基色LED较纯的谱线，无须采用分色合色系统，既可合成饱和度高的色彩，实现优质显示。

本发明根据光栅光调制器的衍射原理和尺寸提出采用TIR透镜(全内反射透镜，其是根据光源尺寸及照明面积求得TIR透镜尺寸，再经注塑加工成形)和光棒及聚光透镜组的照明系统主要起到三种作用：一是通过TIR透镜将LED光线进行汇聚，达到在保持较小尺寸的同时，也增加LED光能利用率的目的；二是通过光棒实现光束的整形，保证在出射端达到与光栅光调制器尺寸一致的均匀方斑照明，从而实现像面上的均匀性；三是通过确定光棒末端与光栅光调制器的距离，并且在两者之间使用聚光透镜组将光棒末端成像在光栅光调制器上，从而保证成像系统中频谱面上各级谱线得以分离，并且光栅光调制器被均匀照亮。

本发明提出在进行彩色显示过程中，采用在每单色光的入射面上均镀有将对应光谱带宽减小到规定值的带通光学薄膜镀的X棱镜，其主要起到两种作用：一是实现了三色合成的微型化，二是保证了通过减小光源带宽提高对比度的目的，从而实现了高对比度的投影显示。