專利名稱：一種基于光柵光調制器的微型投影顯示系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于光柵光調制器實現投影顯示的系統，該系統以大功率LED作為照 明光源，采用TIR透鏡、梯形光棒及聚光透鏡組實現光束的收集與均勻化，再通過4f濾 波成像系統實現信號處理與圖像顯示，是一種新型投影顯示系統。
背景技術：
迄今為止投影顯示市場主要為LCD和DMD (數字微鏡)所占領，此外基于MEMS技 術的迅速發展，基于GLV (光柵光閥)、TMA (薄膜微鏡陣列)等器件的投影顯示系統 也IH處于研究階段。
LCD透射微投影主要采用單片式白光光源通過三色色彩空間合成的成像機制，由于 受到偏光的限制，芯片功耗不高但光效率較其他芯片偏低，另外受到微加工工藝的限制， 進一歩縮小尺寸同時提高分分辨率困難較大。
DMD是利用反射微鏡的偏轉來實現對光路的調制，但其多層結構工藝導致了制作過 程十分復雜，從而導致良品率較低，在微型投影顯示領域技術尚不成熟，并且芯片組只 能由德州儀器公司(TI)提供，技術受到專利保護。
GLV是一個線陣結構，要實現二維的圖像顯示，需要增加一個掃描裝置，該裝置不 但增加系統的復雜程度，也增大了系統的體積，不利于系統的微型化。
TMA在光學原理上也是基于反射原理，但其三層結構也導致工藝較復雜，并且它是 采用壓電材料的電致伸縮特性來控制微鏡的偏轉，受到壓電材料本身特性的影響，要實 現二維微鏡的快速偏轉和精確定位比較困難，難以滿足顯示的要求。
光柵光調制器作為一種具有自主知識產權的MEMS顯示器件克服了 DMD和GLV的不 足，在微投影顯示上具有較大的潛力。并且迄今為止，尚未有將LED作為其照明光源進 行微型投影顯示系統設計的相關報道。
發明內容
本發明提出了一種將大功率LED用作光柵光調制器的照明光源實現微型投影顯示
的系統。
一種基于光柵光調制器實現投影顯示的微型投影系統，其包括大功率三基色LED、 TIR透鏡、X透鏡、梯形光棒、聚光透鏡組、光柵光調制器和4F成像系統；所述大功率三 基色LED的藍光LED、紅光LED和綠光LED分別對應一個TIR透鏡，并且這三個TIR透鏡分別 設置在X透鏡的三個入射面上；在X透鏡的出射面布置光棒，所述聚光透鏡組和光柵光調 制器依次布置在光棒的出射端，光棒出射端和聚光透鏡組與光柵光調制器之間的位置關 系滿足物方遠心照明條件，實現光柵面的均勻照明；所述4F成像系統布置在光柵光調制 器之后，光柵光調制器和4F成像系統滿足成像關系，從而可以在像面上實現圖象顯示。
該系統在照明系統部分采用LED光源照明，并選用TIR透鏡進行光線匯聚成圓斑照 明，再過一步通過梯形光棒進行光束整形成均勻方斑照明，同時減小光束的發散角，系 統中TIR透鏡和光棒材料均采用PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)，方便使用注塑手段進行大規 模批量生產。同時考慮到光柵光調制器的衍射和反射原理，在光棒末端與光柵光調制器 之間設置一組五片式焦距為15. OOmm的聚光透鏡組來充分利用光通量，從而實現物方遠 心照明系統以達到光束的傳遞與照明。在成像系統部分，采用4f成像系統，由兩組完全 相同的透鏡組組成，在滿足系統的MTF截止頻率條件下將光線像差及畸變控制在合理范 圍內。整個光學系統的總體長度、高度和寬度控制在一定范圍內，實現了投影顯示的微 型化。
本發明提出將大功率LED作為光柵光調制器的照明光源，其主要起三種作用 一是 降低光源成本，從而達到降低系統成本的目的；二是通過減小光源體積，可以減小系統 的體積，利于系統的微型化；三是利用三基色LED較純的譜線，無須采用分色合色系統， 既可合成飽和度高的色彩，實現優質顯示。
本發明根據光柵光調制器的衍射原理和尺寸提出采用TIR透鏡(全內反射透鏡，其 是根據光源尺寸及照明面積求得TIR透鏡尺寸，再經注塑加工成形)和光棒及聚光透鏡 組的照明系統主要起到三種作用 一是通過TIR透鏡將LED光線進行匯聚，達到在保持 較小尺寸的同時，也增加LED光能利用率的目的；二是通過光棒實現光束的整形，保證 在出射端達到與光柵光調制器尺寸一致的均勻方斑照明，從而實現像面上的均勻性；三 是通過確定光棒末端與光柵光調制器的距離，并且在兩者之間使用聚光透鏡組將光棒末端成像在光柵光調制器上，從而保證成像系統中頻譜面上各級譜線得以分離，并且光柵 光調制器被均勻照亮。
本發明提出在進行彩色顯示過程中，采用在每單色光的入射面上均鍍有將對應光譜 帶寬減小到規定值的帶通光學薄膜鍍的X棱鏡，其主要起到兩種作用 一是實現了三色 合成的微型化，二是保證了通過減小光源帶寬提高對比度的目的，從而實現了高對比度 的投影顯示。
在成像系統中采用4f成像系統，這是一種經典的濾波系統，在本系統中針對成像 要求設計一套4片式F數為16，焦距為15. OOmni的透鏡組以達到4f成像系統要求。主 要起到通過在頻譜面上進行低通濾波達到信息處理的作用，從而保證高效的圖像輸出效果。
圖1光柵光調制器的投影顯示系統示意圖。
其中1一TIR透鏡，2 —藍光LED， 3 —紅光LED， 4一綠光LED， 5 —三面鍍帶通薄膜 的X透鏡，6—梯形光棒，7 —聚光透鏡組，8 —光柵光調制器，9-頻譜面，10—4f成像 系統，ll一屏幕。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的具體結構和工作方式進行詳細說明
參見圖l，本微型投影系統將大功率三基色LED的藍光LED2、紅光LED3和綠光LED4 分別對應一個TIR透鏡1，并將這三個TIR透鏡1分別設置在三面鍍帶通薄膜的X透鏡5的三 個入射面上。在X透鏡5的出射面布置梯形光棒6，將一組五片式焦距為15.00mm的聚光透 鏡組7和一光柵光調制器8依次布置在梯形光棒6的出射端，再將由兩組F數均為16，焦距 均為15. 00mm的透鏡組組成的4F成像系統10布置在光柵光調制器8之后。其中梯形光棒6 出射端和聚光透鏡組7與光柵光調制器8之間的位置關系滿足物方遠心照明條件，梯形光 棒6出射端與光柵光調制器8的距離須滿足可使頻譜面上各級次光譜可以區分的濾波條 件規定范圍，其范圍由梯形光棒6的出射面尺寸與梯形光棒6的出射端距光柵光調制器8 的距離之比決定(出射面尺寸/出射端到光柵光調制器的距離《0.03)，實現光柵面的 均勻照明。
本系統的工作方式三個TIR透鏡1包括三基色LED分別位于X棱鏡的三個入射
5面，棱鏡每個面上均鍍有用以減小光譜帶寬的帶通薄膜，從三基色LED即藍光LED2、 紅光LED3和綠光LED4射出的光束經TIR透鏡1整形后均以較小的出射光射入X棱鏡5， 經X棱鏡5后匯成一束帶寬較小的彩色光束，在棱鏡出射端光束經梯形光棒6整形后在 出射端達到了光束的均勻化，并進一步減小發散角以便于光能量的收集。從梯形光棒6 出射端射出的光束通過一組聚光透鏡7組后均勻照亮光柵光調制器8，經光柵光調制器 8調制后在后面的4f成像系統10中通過傅利葉變換在頻譜面9上形成一定的頻譜分布， 在該頻譜面9上設置合適的低通濾波器濾出所需級次的衍射光，再次通過一次逆傅利葉 變換，在與光柵光調制器滿足物像關系的屏幕11上得到對應的圖象顯示。
權利要求
1. 一種基于光柵光調制器實現投影顯示的微型投影系統，其特征在于，包括大功率三基色LED、TIR透鏡、X透鏡、光棒、聚光透鏡組、光柵光調制器和4F成像系統；所述大功率三基色LED的藍光LED、紅光LED和綠光LED分別對應一個TIR透鏡，并且這三個TIR透鏡分別設置在X透鏡的三個入射面上；在X透鏡的出射面布置光棒，所述聚光透鏡組和光柵光調制器依次布置在光棒的出射端，光棒出射端和聚光透鏡組與光柵光調制器之間的位置關系滿足物方遠心照明條件，實現光柵面的均勻照明；所述4F成像系統布置在光柵光調制器之后，光柵光調制器和4F成像系統滿足成像關系，從而可以在像面上實現圖象顯示。
2. 根據權利要求i所述的微型投影系統，其特征在于，所述光棒miM與光柵光調制器的距離須滿足濾波條件的規定范圍，由光棒出射面尺寸與光棒出射端距光柵光調 制器的距離之比決定。
3. 根據權利要求1或2所述的微型投影系統，其特征在于，所述光柵光調制器為表面鍍 鋁的光柵平動式光調制器。
4. 根據權利要求1或2所述的微型投影系統，其特征在于，所述光棒為一梯形光棒，小 端靠X透鏡一方，大端靠聚光透鏡組一方。
5. 根據權利要求1或2所述的微型投影系統，其特征在于，所述X棱鏡在每單色光的入 射面上均鍍有將對應光譜帶寬減小到規定值的帶通光學薄膜。
6. 根據權利要求1或2所述的微型投影系統，其特征在于，所述聚光透鏡組采用五片式 焦距為15. OOmm的聚光透鏡組。
7. 根據權利要求1或2所述的微型投影系統，其特征在于，所述4F成像系統由兩組完全 相同的透鏡組組成，每一透鏡組由4片透鏡組成，且透鏡組的F數為16，焦距為15.OOmm。
全文摘要
一種基于光柵光調制器實現投影顯示的微型投影系統，該系統在照明系統部分采用LED光源照明，并選用TIR透鏡進行光線匯聚成圓斑照明，再通過梯形光棒進行光束整形成均勻方斑照明，系統中TIR透鏡和光棒材料均采用PMMA，方便進行大規模批量生產。同時考慮到光柵光調制器的衍射和反射原理，在光棒末端與光柵光調制器之間設置一組焦距合適的聚光透鏡組來充分利用光通量，實現物方遠心照明系統以達到光束的傳遞與照明。成像系統部分采用4f濾波系統，由兩組完全相同的透鏡組組成，在滿足系統的MTF截止頻率條件下將光線像差及畸變控制在合理范圍內。整個光學系統的總體長度、高度和寬度控制在一定范圍內，實現了投影顯示的微型化。
文檔編號H04N9/31GK101510044SQ20091010340
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月18日 優先權日2009年3月18日
發明者史玲娜, 潔 張, 張智海, 潘英俊, 瑋 韋 申請人:重慶大學