[发明专利]采用混合光源的紧凑型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，尤其涉及一种采用混合三基色光源的紧凑型反射式液晶投影光引擎系统。

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，LCoS微型投影系统普遍存在整机输出亮度偏低和体积较大等问题，用户的视觉体验不够好，携带不方便，这已经阻碍了投影系统的微型化和进一步普及。

目前的微型投影大多采用LED作为照明光源。LED具有体积小、寿命长、响应快及节能环保等优点，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。另外，由于不同单色LED的发光效率差异，LED厂商也采用荧光粉技术，用某些波长LED发光效率高的优点来制备其他波长的LED，以提高该波段的发光效率。通常，绿色波段LED发光效率较低，但绿光在投影系统中占的比重却最大。为解决这个问题，欧司朗采用波长420nm的LED激发荧光粉产生520nm的绿光，使得绿光的输出光通量在相同功率下提升一倍，达到1.4A工作电流下500 lm的高亮度。虽然LED激发荧光粉使得亮度上有明显提升，但也存在不足：1）光谱范围过宽，虽然主波长在绿光范围，但其他波长范围内仍然存在部分能量。荧光粉激发绿光LED的FWHM(半高宽度)增大两倍多到100nm，而普通绿光LED仅为44nm。2)色彩纯度大大降低，且其他基色范围内的能量也不能被系统有效利用。3)荧光粉激发LED的发光角度有所增加，使得光源的光学扩展量增大，给后续系统的设计带来压力。

另一种新兴的光源是激光。激光作为光源的投影系统具有非常高亮度、无需对焦和色域宽广等显著优点，这都是LED投影系统无法比拟的。另外，激光的高偏振单色红绿蓝三基色光，对LCoS微显示系统尤其重要。但是，激光投影也存在难以克服的缺点：1)真绿激光仍未商业化，成本过高。目前的绿激光大多基于倍频技术产生；2)存在安全问题。研究表明，激光扫描投影在Class2时最高只能达到20流明，而基于面板的激光投影系统在Class1就可以达到20流明，在Class2时可达几百流明。可见，基于面板的投影系统较扫描投影系统有优势；3)图像散斑。由于激光的强相干特性，显示图像画面受到干扰而呈现颗粒状，容易产生视觉疲劳，感官舒适度大大降低。因此，在激光投影中去散斑技术非常关键。虽有角多样性，偏振多样性，波长多样性，使用特殊或者移动屏幕等方法消除散斑，但每种方法都有其局限性。

LED和激光都各有优点，但各自性能和发展速度却滞后于微投市场的需求。若采用单一种类光源，系统总是存在或亮度不高，或图像散斑，或体积过大等问题。若能将各种LED和激光结合起来，利用激光的高亮度特性，又利用到LED的低干涉性来消弱激光图像散斑并提高安全性，这将对微型投影在高亮度、低功耗、小体积和低成本等方面大有裨益。