两片式液晶微显示引擎系统

摘要

本发明涉及两片式液晶微显示引擎系统，包括一个半导体固体三基色光源经过合光和偏振分束后，两个正交偏振光将分别照亮高速时序调制的一片液晶微显示面板；高速图像处理单元将输入实时图像分解成两组子或分割成两半图像按时序显示在各自的液晶微显示面板上；被两片液晶微显示面板同步调制的图像经过偏振和光学图像合成后经过同一投影物镜显示在屏幕上。本发明能无偏振损失地利用光源发射的全部光能，并可以利用图像的光学合成使显示分辨率提高一倍。

权利要求

1.两片式液晶微显示引擎系统，包括一个能输出红色非偏振光的光源、一个能输出绿色非偏振光的光源、一个能输出蓝色非偏振光的光源和三个准直透镜组、一个会聚透镜组、二个光束合光棱镜、一个偏振分光器件、两片能时序显示红、绿、蓝三基色子图像的高速液晶微显示面板、一个高速图像处理单元、一个偏振合束器件、一个投影物镜和屏幕，其特征在于：每个基元色非偏振光的光源输出的光经一个准直透镜组后入射到一个或二光束合光棱镜后，再经一个会聚透镜组合成同轴三基色光，同轴三基色光再经偏振分光器件分成两个正交偏振光后，各自照明一片能时序显示红、绿、蓝三基色子图像的高速液晶微显示面板；高速图像处理单元将实时处理输入的视频图像，分解成两组或分割成两半的红、绿、蓝三基色的子图像，与光源的三基色光同步地按时序分别显示在两片高速液晶微显示面板上；经两片高速液晶微显示面板调制的子图像通过偏振合束器件，合成组合图像，经过投影物镜后错开地或叠加显示在屏幕上，所述的高速液晶微显示面板、高速图像处理单元中的“高速”需要面板上的图像更新速度在每秒180帧以上；所述的液晶微显示面板为反射式硅基液晶(LCOS)面板或透射式液晶(LCD)面板；同轴三基色光经偏振分光器件分成两个正交偏振光后，其中一束偏振光直接或经反射镜后照明液晶微显示面板，另一束偏振光经转接镜和两个反射镜或经一个反射镜后照明液晶微显示面板；所述的非偏振照明光源为半导体固体照明光源；调整所述的液晶微显示面板使屏幕上的两幅图像在对角方向刚好错开半个像素；所述的偏振分光器件和偏振合束器件组合在一起；所述的偏振分光器件为偏振分光片或偏振分光棱镜；所述的偏振合束器件为偏振合束片或偏振合束棱镜。

说明书

两片式液晶微显示引擎系统

技术领域

[0001] 本发明属于微显示光引擎投影显示领域，特别涉及分辨率和亮度增益的两片式液晶微显示引擎系统。

背景技术

[0002] 目前市场上商用的液晶微显示投影系统主要包括单片式和三片式系统，前者结构简单但亮度不够，后者结构较为复杂，成本也较高；而且两者都存在偏振损失的问题，虽然可以通过偏振转换系统利用部分正交偏振分量光，但往往偏振转换效率不到70％，而且系统更复杂，成本也更高。所以液晶微显示系统的亮度往往不如数字光处理器(DLP)系统，结构也较之复杂，限制了其进一步的推广应用。

[0003] 为了简化液晶微显示引擎的结构，降低系统成本，并能提高系统亮度，不同形式的两片式结构被提出。较早的美国专利4500172提出一种两片式反射显示引擎结构，一个基元色始终显示在两个面板上，而另两个基元色则各显示在一片面板上，这样利用两片式结构可以达到类似三片式的亮度，但仍要求一个偏振光源输出基元色，像固体照明光源LED和普通投影卤素灯等，仍存在偏振损失问题。后来美国专利5863125和5921650则描述了另外一个两片式引擎结构，利用色轮调制得到不同颜色带宽的偏振光，并通过偏振分光棱镜(PBS)分别照明一个面板，其中色轮调制中存在偏振损失，而且色轮还存在滤色作用，光的利用率很低。而Sharp、eLCOS等在WO 00/7-376和美国专利6995738和美国专利7008064中提出一个类似的两片式引擎结构，但它们都需要色选择性延迟片来根据颜色把一个线偏振光分解为两个正交偏振光各自照明一个面板然后合成后通过投影物镜到达屏幕，这个系统仍需要线偏振光光源，而且需要一个特殊的，成本较高的色选择性延迟片。

[0004] 综上所述，已报道的两片式引擎结构虽然可以利用不同颜色同时照亮两片面板来不同程度提高亮度，但他们仍需要一个偏振光源，并需要一个颜色管理元器件来分解偏振态，所以仍无法利用像固体照明光源LED和普通投影卤素灯等目前较常用的非偏振光源的所有能量，达到类似于DLP微显示引擎的效率，而且还需要一些特殊的颜色管理元器件或偏振转换系统，成本也较高。

发明内容

[0005] 本发明的目的为了克服上述现有技术的缺陷及问题，提供一种新的能利用非偏振光源的所有能量，使输出亮度增加一倍，并进一步能使显示分辨率增加一倍的两片式液晶微显示引擎系统。

[0006] 本发明的技术方案为：两片式液晶微显示引擎系统，包括一个能输出红色非偏振光的光源、一个能输出绿色非偏振光的光源、一个能输出蓝色非偏振光的光源和三个准直透镜组、一个会聚透镜组、二个光束合光棱镜、一个偏振分光器件、两片能时序显示红、绿、蓝三基色子图像的高速液晶微显示面板、一个高速图像处理单元、一个偏振合束器件、一个投影物镜和屏幕，其特征在于：每个基元色非偏振光的光源输出的光经一个准直透镜组后入射到一个或二光束合光棱镜后，再经一个会聚透镜组合成同轴三基色光，同轴三基色光再经偏振分光器件分成两个正交偏振光后，各自照明一片能时序显示红、绿、蓝三基色子图像的高速液晶微显示面板；高速图像处理单元将实时处理输入的视频图像，分解成两组或分割成两半的红、绿、蓝三基色的子图像，与光源的三基色光同步地按时序分别显示在两片高速液晶微显示面板上；经两片高速液晶微显示面板调制的子图像通过偏振合束器件，合成组合图像，经过投影物镜后错开地或叠加显示在屏幕上，所述的高速液晶微显示面板、高速图像处理单元中的“高速”需要面板上的图像更新速度在每秒180帧以上。

[0007] 液晶微显示面板为反射式硅基液晶(LCOS)面板或透射式液晶(LCD)面板。

[0008] 同轴三基色光经偏振分光器件分成两个正交偏振光后，其中一束偏振光直接或经反射镜后照明液晶微显示面板，另一束偏振光经转接镜和两个反射镜或经一个反射镜后照明液晶微显示面板。

[0009] 所述的非偏振照明光源为半导体固体照明光源。

[0010] 调整液晶微显示面板使屏幕上的两幅图像在对角方向刚好错开半个像素。

[0011] 所述的偏振分光器件和偏振合束器件组合在一起。

[0012] 所述的偏振分光器件为偏振分光片或偏振分光棱镜。

[0013] 所述的偏振合束器件为偏振合束片或偏振合束棱镜。

[0014] 将使被高速时序调制的两个液晶微显示面板的图像在投影物镜的物面上完全对接后投影到屏幕上，屏幕的显示图像像素将增加一倍。

[0015] 高速图像处理单元将实时图像分割成两组图像，每组图像分解成红、绿、蓝三基色的子图像后，与光源三基色光同步地分别显示在两个高速时序调制的液晶微显示面板上，被两个正交偏振光照明后，透射的正交偏振光经偏振合束器件合成为同轴光由物镜投影到屏幕上，屏幕上的两幅图像在对角方向刚好错开半个像素。

[0016] 高速图像处理单元将实时图像分割成两半，每组图像分解成红、绿、蓝三基色的子图像后，与光源三基色光同步地分别显示在两个高速时序调制的液晶微显示面板上，两个半图像被正交偏振光同时照明后经过偏振合束器件在屏幕上重新对接成整幅图像。

[0017] 本发明所述的偏振分光器件、液晶微显示面板、图像处理单元、偏振合束器件、投影物镜和屏幕都可以从市场购买得到。

[0018] 本发明能无偏振损失地利用光源发射的全部光能，并可以利用图像的光学合成使显示分辨率提高一倍。

附图说明

[0019] 图1为本发明的结构示意图。

[0020] 图2为第一种反射式液晶微显示引擎系统结构。

[0021] 图3为第二种反射式液晶微显示引擎系统结构。

[0022] 图4为第二种方案中两幅图像在对角方向错开半个像素示意图。

[0023] 图5为第三种反射式液晶微显示引擎系统结构。

[0024] 图6为第三种方案中实时图像分割成两半示意图。

[0025] 图7为第一种透射式液晶微显示引擎系统结构。

[0026] 图8为第二种透射式液晶微显示引擎系统结构。

[0027] 图9为第三种透射式液晶微显示引擎系统结构。

[0028] 图中：●——面板I在屏幕

[0029] 的图像

[0030] ◆——面板II在屏

[0031] 幕的图像

具体实施方式

[0032] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。

[0033] 本发明包括包括一个能输出红色非偏振光的光源、一个能输出绿色非偏振光的光源、一个能输出蓝色非偏振光的光源和三个准直透镜组(241，242，243)、一个会聚透镜组244、二个光束合光棱镜(251，252)、一个偏振分光器件、两片能时序显示红、绿、蓝三基色子图像的高速液晶微显示面板、一个高速图像处理单元50、一个偏振合束器件、一个投影物镜
60和屏幕70，每个基元色非偏振光的光源输出的光经一个准直透镜组后入射到一个或二光束合光棱镜后，再经另一个会聚透镜组244合成同轴三基色光，同轴三基色光再经偏振分光器件分成两个正交偏振光后，各自照明一片能时序显示红、绿、蓝三基色子图像的高速液晶微显示面板；高速图像处理单元50将实时处理输入的视频图像，分解成两组或分割成两半的红、绿、蓝三基色的子图像，与光源的三基色光同步地按时序分别显示在两片高速液晶微显示面板上；经两片高速液晶微显示面板调制的子图像通过偏振合束器件，合成组合图像，经过投影物镜后错开地或重叠显示在屏幕70上。所述的非偏振照明光源为半导体固体照明光源。所述的偏振分光器件和偏振合束器件组合在一起。液晶微显示面板为反射式硅基液晶(LCOS)面板，也可以为透射式液晶(LCD)面板。

[0034] 在图1中，半导体固体照明光源输出的非偏振三基色光(红光LED21、绿光LED22、蓝光LED23)，经过三个准直透镜组(241，242，243)、二个光束合光棱镜(251，252)和一个会聚透镜组244后合成同轴三基色光源，再经过偏振分光、合束器件30后分成两个正交偏振光，各自照明一个高速时序调制的液晶微显示面板(41，42)；高速图像处理单元50将实时处理输入的视频图像，分解成两组红、绿、蓝三基色的子图像，与光源三基色光同步地按时序分别显示在两个液晶微显示面板上；经液晶微显示面板调制的子图像通过偏振分光、合束器件30，合成组合图像，经过投影物镜60后显示在屏幕70上。被高速图像处理单元分解的两组图像是两组相同的子图像，经过投影物镜后重叠的显示在屏幕70上，使得屏幕亮度比单片式光引擎结构提高一倍。

[0035] 在图2中，半导体固体照明光源输出的非偏振三基色光(红光LED21、绿光LED22、蓝光LED23)，经过三个准直透镜组(241，242，243)、二个光束合光棱镜(251，252)和一个会聚透镜组244后将均匀照明两片反射式液晶微显示面板，通常是反射式硅基液晶(LCOS)面板；合成的同轴三基色光被偏振分光、合束器件30分成两个正交偏振光，其中偏振分束、合束器件为偏振分光棱镜、合束棱镜组合一起而成，各自照明一个高速时序调制的液晶微显示面板(41，42)；高速图像处理单元50将实时处理输入的视频图像，分解成二组红、绿、蓝三基色的子图像，与光源三基色光同步地同时显示在两个液晶微显示面板上；经液晶微显示面板调制的图像通过偏振分光、合束器件30，合成组合图像，经过投影物镜60后完全重叠地显示在屏幕70上。被偏振分光、合束器件30分解的两正交偏振光将在同一偏振分光、合束器件30内两次通过偏振分光与合束面，使得光引擎系统能达到很高的对比度。而且该引擎系统可以同时利用非偏振光源的两个偏振分量，效率将比普通的只能接收偏振光源的单片式和两片式引擎提高一倍。

[0036] 在图3中，半导体固体照明光源输出的非偏振三基色光(红光LED21、绿光LED22、蓝光LED23)，经过三个准直透镜组(241，242，243)、二个光束合光棱镜(251，252)和一个会聚透镜组244后合成同轴三基色光，再经过偏振分光、合束器件30后分成两个正交偏振光，其中偏振分束、合束器件为偏振分光片、合束片组合一起而成，各自照明一个高速时序调制的液晶微显示面板(41，42)；高速图像处理单元50将实时图像分割成两组图像，每组图像分解成红、绿、蓝三基色的子图像后，与光源三基色光同步地分别显示在两个高速时序调制的液晶微显示面板上，被两个正交偏振光照明后，反射的正交偏振光经偏振分光、合束器件30合成为同轴光由投影物镜60投影到屏幕70上，调整两片液晶微显示面板，使得屏幕上的两幅图像在对角方向刚好错开半个像素，如图4所示，这样两组图像使得屏幕显示分辨率提高一倍，同时由于所有的非偏振光源都被利用，屏幕的亮度也提高一倍。

[0037] 在图5中，半导体固体照明光源输出的非偏振三基色光(红光LED21、绿光LED22、蓝光LED23)，经过三个准直透镜组(241，242，243)、二个光束合光棱镜(251，252)和一个会聚透镜组244后合成同轴三基色光，再经过偏振分光片311后分成两个正交偏振光；S偏振光照明高速时序调制的液晶微显示面板42，P偏振光经过反射镜33和偏振分光片312后，照明另一块高速时序调制的液晶微显示面板41；两束偏振光再经过偏振合束片32后由投射物镜投射出去。偏振分光和偏振合成引擎结构的设计，将使被高速时序调制的两个液晶微显示面板的图像在投影物镜60的物面上完全对接后投影到屏幕70上，屏幕的显示图像像素将增加一倍。同时高速图像处理单元50将实时图像分割成两半，每组图像分解成红、绿、蓝三基色的子图像后，与光源三基色光同步地分别显示在两个高速时序调制的液晶微显示面板上，两个半图像被正交偏振光同时照明后经过偏振合束片32和投影物镜60在屏幕上重新对接成整幅图像，如图6所示，通过上述处理使得显示的图像亮度得到均匀显示。每个半图像被分解显示在一个液晶微显示面板上，图像的分辨率将提高一倍，同时所有的非偏振光源都被利用，屏幕的亮度也将提高一倍。

[0038] 在图7中，半导体固体照明光源输出的非偏振三基色光(红光LED21、绿光LED22、蓝光LED23)，经过三个准直透镜组(241，242，243)、二个光束合光棱镜(251，252)和一个会聚透镜组244后合成同轴三基色光后被偏振分光片31分成两个正交偏振光，S偏振光均匀照明透射式液晶(LCD)微显示面板43，P偏振光经过转接镜34和两个反射镜(331，332)后均匀照明另一块透射式液晶微显示面板44；高速图像处理单元50将实时处理输入的视频图像，分解成一组红、绿、蓝三基色的子图像，与光源三基色光同步地同时显示在两个液晶微显示面板上；经液晶微显示面板调制的图像通过偏振合束片32，合成组合图像，经过投影物镜60后完全重叠地显示在屏幕70上。该引擎系统可以同时利用非偏振光源的两个偏振分量，效率将比普通的只能接收偏振光源的单片式和两片式引擎提高一倍。

[0039] 在图8中，半导体固体照明光源输出的非偏振三基色光(红光LED21、绿光LED22、蓝光LED23)，经过三个准直透镜组(241，242，243)、二个光束合光棱镜(251，252)和一个会聚透镜组244后合成同轴三基色光后被偏振分光片及偏振合束片30分成两个正交偏振光，其中偏振分束、合束器件为偏振分光片、合束片组合一起而成，S偏振光经过反射镜332后均匀照明透射式液晶(LCD)微显示面板44，P偏振光经过反射镜331后均匀照明另一块透射式液晶微显示面板43；高速图像处理单元50将实时图像分割成两组图像，每组图像分解成红、绿、蓝三基色的子图像后，与光源三基色光同步地分别显示在两个高速时序调制的液晶微显示面板上，被两个正交偏振光照明后，反射的正交偏振光经偏振分束、合束器件30合成为同轴光由投影物镜60投影到屏幕70上，调整两片液晶微显示面板，使得屏幕上的两幅图像在对角方向刚好错开半个像素，如图4所示，这样两组图像使得屏幕显示分辨率提高一倍，同时由于所有的非偏振光源都被利用，屏幕的亮度也提高一倍。

[0040] 在图9中，半导体固体照明光源输出的非偏振三基色光(红光LED21、绿光LED22、蓝光LED23)，经过三个准直透镜组(241，242，243)、二个光束合光棱镜(251，252)和一个会聚透镜组244后合成同轴三基色光后被偏振分束、合束器件30分成两个正交偏振光，其中偏振分束、合束器件为偏振分光片、合束片组合一起而成，S偏振光经过反射镜332后均匀照明透射式液晶(LCD)微显示面板44，P偏振光经过反射镜331后均匀照明另一块透射式液晶微显示面板43；两束偏振光再经过偏振分束、合束器件30后由投射物镜60投射出去。偏振分光和偏振合成引擎结构的设计，将使被高速时序调制的两个液晶微显示面板的图像在投影物镜60的物面上完全对接后投影到屏幕70上，屏幕的显示图像像素将增加一倍。同时高速图像处理单元50将实时图像分割成两半，每组图像分解成红、绿、蓝三基色的子图像后，与光源三基色光同步地分别显示在两个高速时序调制的液晶微显示面板上，两个半图像被正交偏振光同时照明后经过偏振合束、投影物镜投影在屏幕上重新对接成整幅图像，如图6所示，同时通过处理使得显示的图像亮度得到均匀显示。每个半图像被分解显示在一个液晶微显示面板上，图像的分辨率将提高一倍，同时所有的非偏振光源都被利用，屏幕的亮度也将提高一倍。