專利名稱：新型彩色激光投影顯示設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及投影顯示設備，更具體地說，涉及采用紅、綠、藍激光器 為光源，并同時使用空間光調制器與線掃描方案的彩色激光投影顯示設備。
背景技術：
傳統投影顯示設備普遍釆用的是金屬鹵素燈泡、UHE (Ultra high efficiency) 燈泡、UHP (Ultra high performance)燈泡等光源。其共同缺點是電光轉換效率低、 壽命短、成本偏高，通常在運行幾千小時后，亮度就會嚴重衰減；由于技術的 限制，采用燈泡為光源還導致目前的投影系統體積偏大。同時，由于燈泡發光 機理的限制，使其成像的色域范圍較小，無法實現更為逼真的色彩還原。
除此之外，目前還有采用發光二極管LED光源的投影顯示系統，如2006 年9月5日授予Shindoh的美國專利7101049，標題為"投影儀光學以及采用LED 光源的投影儀"。相比傳統燈泡光源，采用LED作為投影儀光源，其優勢在于 效率高、壽命大大延長，體積小，響應速度快，沒有紫外或紅外輻射。但是， 目前LED還沒有達到大尺寸背投電視與投影儀所期望的高亮度，因此LED光 源主要定位于外形尺寸小和無需高亮度輸出的應用領域。
而激光光源，尤其是半導體激光器LD，具有體積小，電光效率高，批量 成本低等優點；相比燈泡以及LED等非相干光源，激光由于光譜更純，提高了 光能利用率，易于實現高亮度輸出；并且通過選擇合適的三基色波長，可以得 到更廣的色域，實現更加真實的色彩還原。
激光投影顯示系統形成二維圖像的方式包括傳統燈泡投影系統已經廣泛 采用的面陣空間光調制器SLM、激光束二維逐點掃描以及線空間光調制器結合 一維掃描等。
采用的面陣空間光調制器主要包括數字微鏡器件DMD、液晶器件LCD 和硅基液晶器件LCOS (liquid crystal on silicon)。其共同特點是由許多微小光閥元件組成的二維陣列，每個元件對應二維圖像的一個像素，并且都可以獨 立尋址，從而實現對光源的數字式調制。
DMD與LCD作為已經廣泛使用的空間光調制器，在激光為光源的投影顯 示系統中也得到了應用。例如在授予Sang-whoeDoh等人的美國專利6385309 中，就介紹了采用DMD器件作為空間光調制器激光投影系統，標題為"光耦合 裝置及其制造方法，以及利用該裝置的光學儀器"；在授予Kapdlner等人的美 國專利7128420中，介紹了采用激光為光源，LCD作為空間光調制器的投影顯 示系統，標題為"圖像投影裝置與方法"。
LCOS器件屬于新型的硅基芯片上的液晶反射式微投影器件。相比于LCD、 DMD， LCOS投影技術具有光利用率高、響應時間短、易于實現高解析度等優 點。目前，已經有采用LCOS微顯示器件的激光投影系統，例如2003年7月 15日授予Kruschwitz等人的美國專利6594090，標題為"激光投影顯示系統"。
不同于傳統的燈泡為光源的投影系統，激光投影系統還可以采用二維逐點 掃描的方式來實現，例如2007年7月11日授予米克羅斯.斯坦恩等人的中國專 利CN1998243A，標題為"彩色激光投影顯示器"。采用掃描方式實現激光投影 而無需使用空間光調制器，但是對紅綠藍三色激光器的調制頻率要求較高。由 于掃描時所采用的激光光束比采用面陣空間光調制器的投影系統的激光光斑 要小得多，三色激光合束調整要求比較高。
除面陣空間光調制器以外，線陣空間光調制器也在激光投影顯示設備中得 到了應用，例如1994年5月10日授予Bloom等人的美國專利5311360，標題 為"調制光束的方法和裝置"，描述了光柵光閥GLV(Grating Light Valve)線陣器 件；在2001年10月23日授予Kowarz等人的題為"具有保角光柵器件的空間 光調制器"的美國專利6307663中，描述另一種線陣空間光調制GEMS(Grating Electro Mechanical System)。利用上述器件，可以對線形激光束進行調制，調制 后的線光束掃描形成二維圖像，例如2003年4月22日授予Kowarz等人的美 國專利6552855，標題為"具有高灰度等級的圖像形成系統"，就展示了利用多 個GEMS器件的激光投影系統；2006年3月21日授予Ikeda等人的美國專利 7016099，標題為"MEMS器件，GLV裝置以及激光顯示"，展示了采用三片GLV 分別作為紅、綠、藍三色激光的空間光調制器的激光投影系統。相比LCD、 DMD等面陣空間光調制器，線陣空間光調制器能夠簡化系統
設計，并提供更高的圖像解析度；相比二維逐點掃描方案，降低了對激光器的 調制頻率要求，降低了三色激光合束的難度，能夠提供更好的圖像質量。但是， GLV、GEMS等線陣空間光調制器屬于MEMS( Micro-electromechanical System) 器件，其成本較高，光能利用率較低；同時此類器件本身像素單元尺寸較大， 導致器件體積偏大，更適用于外形較大的投影系統，不利于控制投影系統體積。
發明內容
本實用新型所要解決的技術問題提供一種結構簡單、易于實現的激光投影 顯不設備。
本實用新型所釆用的技術方案是 一種新型彩色激光投影顯示設備，包括 一激光光源模塊、 一偏振分光棱鏡、 一微顯示器件、 一色散分光和合束元件、 一掃描轉鏡及至少一個投影透鏡，其中激光光源模塊，產生投影所需的紅、 綠、藍三色激光光束；偏振分光棱鏡，設置在激光光源模塊與色散分光和合束 元件之間，用于控制光路中激光光束的透過與反射；色散分光和合束元件，設
置在偏振分光棱鏡與微顯示器件之間，對從偏振分光棱鏡入射的紅、綠、藍三 色激光光束進行分光，并使經微顯示器件調制后反射回的三色激光光束重新合
束，再由偏振分光棱鏡反射或透射；微顯示器件，對從色散分光和合束元件分 光后入射的三色激光光束分別調制后反射；投影透鏡，設置在偏振分光棱鏡與 掃描轉鏡之間，將經微顯示器件調制并由偏振分光棱鏡反射的三色激光光束投 影到掃描轉鏡；掃描轉鏡，將從投影透鏡入射的激光光束掃描形成圖像。
上述的新型彩色激光投影顯示設備，其中，色散分光和合束元件為玻璃平 板或色散棱鏡。
上述的新型彩色激光投影顯示設備，其中，微顯示器件為面陣型空間光調 制器或獨立的三列二維面陣型空間光調制器的組合。
本實用新型的優點在于，利用線光束掃描的方式來形成二維圖像，相比二 維逐點掃描方式，降低了對激光器的調制要求，降低了光束合束精度要求；相 比面陣顯示器件，簡化了光學和電路結構。
本實用新型的另一個優點在于，由于采用了色散分光和合束元件，三色激光束的分束與調制后重新合束都由此元件完成；此外三色激光光束被分束，可 以被空間光調制器同時、分別調制，無需采用分色時序調制設計方案，簡化了 設計；提高了光源利用率，增加了投影亮度。


圖1是本實用新型的新型彩色激光投影顯示設備的結構示意圖。 圖2是本實用新型另一實施方式的結構示意圖，在圖2中，采用了與圖l
不同的色散分光和合束元件。
圖3是說明圖2中所釆用的色散分光和合束元件的工作原理的示意圖。 圖4說明本實用新型采用一個面陣型LCOS器件時的部分光路示意圖。 圖5是說明本實用新型采用三列獨立的二維面陣型LCOS器件時的部分光
路示意圖。
圖6是說明不采用色散分光和合束元件時的激光投影顯示設備示意圖。
具體實施方式

下面將結合附圖更詳細地描述根據本實用新型的激光投影顯示設備的具 體實施方式。
圖1是本實用新型的一個具體實施例。如圖所示，本實用新型的新型彩色 激光投影顯示設備包括一激光光源模塊110、 一偏振分光棱鏡lll、 一色散分 光和合束元件112、 一微顯示器件113、 一投影透鏡114以及一掃描轉鏡115。 激光光源模塊110、偏振分光棱鏡111、色散分光和合束元件112、微顯示器件 113依次排列，偏振分光棱鏡111設置在激光光源模塊110與色散分光和合束 元件112之間，色散分光和合束元件112設置在偏振分光棱鏡111與微顯示器 件113之間。在本實施例中采用平板玻璃作為色散分光和合束元件112， LCOS 器件作為微顯示器件113。投影透鏡114的數量不限于一個，也可以是多個。
激光光源模塊110發出合束的且偏振方向相同的紅、綠、藍三色線形激光 光束，在入射到偏振分光棱鏡lll上時全部透射。在本實施方式中，激光光源 模塊110包括紅、綠、藍三色激光器以及相關的光學元件，紅、綠、藍三色線 形激光光束被相關光學元件整形為大小相同且光強分布均勻的線形光斑。透過偏振分光棱鏡111的激光光束入射到色散分光和合束元件112上時，紅、綠、 藍三色激光光束在色散分光和合束元件U2的出光面分離，光束保持平行，垂 直入射到微顯示器件113。三色激光光束經微顯示器件U3調制后反射，經過 色散分光和合束元件112重新合束成一束光，經調制并重新合束的光束入射到 偏振分光棱鏡111，根據此時三色激光光束對應微顯示器件113像素點的光點 的偏振態，三束光將有一部分光強透射，另一部分光強被反射，反射光通過投 影透鏡114入射到掃描轉鏡115，掃描轉鏡115以一定角度掃描轉動，使線光 束在屏幕116上形成二維圖像。較佳的是，從投影透鏡114射出的光束的發散 角與掃描轉鏡115的掃描投影角度相同。
在圖l所示的實施例中，采用平板玻璃作為色散分光和合束元件。由于玻 璃材料的色散系數一般較小，為了分離三色激光束，需要使用較厚的平板玻璃。 圖2提供了本實用新型的另一個具體實施例，其中，色散分光和合束元件112 采用了鍍有光學薄膜的平板玻璃。圖3是該鍍有光學薄膜的平板玻璃的工作原 理示意圖。如圖所示，在該平板玻璃的上、下表面的陰影區域118和119鍍有 光學薄膜，使紅、綠、藍三色激光光束在平板玻璃內多次反射；當三色激光光 束從平板玻璃的另一面出射時，三色激光束已經分離。采用圖3所示的色散分 光和合束元件可以有效地減小厚度。本實用新型的色散分光和合束元件112還 可采用色散棱鏡或其它利用色散特性進行分光的光學元件。
圖1中所釆用的微顯示器件113，可以有圖4和圖5所示的兩種不同的類 型與工作方式。在圖4中，微顯示器件113采用的是面陣型的LCOS器件，由 三束激光入射的不同區域對三束激光分別調制，LCOS器件中有相當一部分面 積的像素沒有光照射，不能充分利用；圖5中采用的是三列線形組合的面陣型 LCOS器件，三列線形面陣型LCOS器件對三束激光分別調制，采用此種器件 的優點在于減小了 LCOS的面積，有助于提高良品率。色散分光和合束元件112 采用了圖l所用的平板玻璃，但是本領域的技術人員應該理解，圖4和圖5中 的平板玻璃同樣可以用圖3所示的平板玻璃替換。
圖6是在簡化了圖1和圖2中的色散分光和合束元件112后的激光投影顯 示設備示意圖。由于沒有進行分光，紅綠藍三色激光光束將采取分色時序調制 的方式。其優點是簡化了系統設計，可以縮小體積；缺點是提高了對LCOS微顯示器件的要求，需要有更短的響應時間。
上面所公開的具體實施方案只是示例性的，因為可以用本領域技術人員容 易想到的不同但等價的方式來修改或實踐本實用新型。本領域的技術人員能夠 理解，在不背離權利要求所定義的本實用新型的精神和范圍的情況下，可以做 出各種形式上和細節上的變化。例如，本領域的技術人員都很清楚，色散分光 元件還可以采用色散棱鏡等形式。
權利要求1.一種新型彩色激光投影顯示設備，其特征在于，包括一激光光源模塊、一偏振分光棱鏡、一微顯示器件、一色散分光和合束元件、一掃描轉鏡及至少一個投影透鏡，其中激光光源模塊，產生投影所需的紅、綠、藍三色激光光束；偏振分光棱鏡，設置在所述激光光源模塊與所述色散分光和合束元件之間，用于控制光路中激光光束的透過與反射；色散分光和合束元件，設置在所述偏振分光棱鏡與所述微顯示器件之間，對從所述偏振分光棱鏡入射的紅、綠、藍三色激光光束進行分光，并使經所述微顯示器件調制后反射回的三色激光光束重新合束，再由所述偏振分光棱鏡反射或透射；微顯示器件，對從所述色散分光和合束元件分光后入射的三色激光光束分別調制后反射；投影透鏡，設置在所述偏振分光棱鏡與所述掃描轉鏡之間，將經所述微顯示器件調制并由所述偏振分光棱鏡反射的三色激光光束投影到所述掃描轉鏡；掃描轉鏡，將從所述投影透鏡入射的激光光束掃描形成圖像。
2. 如權利要求l所述的新型彩色激光投影顯示設備，其特征在于，所述色 散分光和合束元件為玻璃平板或色散棱鏡。
3. 如權利要求l所述的新型彩色激光投影顯示設備，其特征在于，所述微 顯示器件為反射型的空間光調制器。
4. 如權利要求3所述的新型彩色激光投影顯示設備，其特征在于，所述空 間光調制器為面陣型空間光調制器或獨立的三列二維面陣型空間光調制器的 組合。
5. 如權利要求l所述的新型彩色激光投影顯示設備，其特征在于，還包括 一屏幕，所述掃描轉鏡掃描形成的圖像投影在所述屏幕上。
專利摘要本實用新型公開了一種新型彩色激光投影顯示設備，屬于激光顯示技術領域。該新型彩色激光投影顯示設備包括激光光源模塊、偏振分光棱鏡、色散分光和合束元件、微顯示器件、投影透鏡和掃描轉鏡。激光光源模塊輸出的線形紅、綠、藍三色激光光束，經微顯示器件分別調制之后，投射到掃描轉鏡，掃描形成圖像。由于采用了線形光束掃描方案，并且利用色散分光和合束元件對紅、綠、藍三色激光分光后分別調制和再合束，無需采用分色時序調制設計方案。本實用新型相比已有的傳統投影技術方案，簡化了系統設計，不需對激光器調制，提高了激光光源利用效率，增強了投影畫面亮度。
文檔編號H04N9/31GK201163802SQ200720199110
公開日2008年12月10日 申請日期2007年12月11日 優先權日2007年12月11日
發明者張哨峰, 李大汕, 楊金濤, 胡企銓, 陳高庭, 黃春樂 申請人:上海高意激光技術有限公司