显示装置的制作方法

1.本发明涉及显示技术领域，特别是涉及一种显示装置。


背景技术：

2.随着社会经济的发展，以及信息化的不断推进，人们对大屏显示娱乐的需求日益旺盛。以客厅为例，近年来的市场销量表明，液晶电视尺寸具有逐渐增大的趋势。然而，信息时代的来临导致了时间碎片化，客厅不再是视频娱乐的唯一场所，而且由于液晶电视的体积大、重量大，其无法实现随时随地的应用。另一方面，虽然手机屏幕在尺寸方面已经有了长足的进步，甚至出现了更大尺寸的专为娱乐而生的智能平板，但是受限于其显示方式，难以实现真正的大屏显示。因此，要实现灵活的大屏显示，目前唯有投影的技术路线。
3.投影显示系统主要包括照明系统、光机系统、投影镜头等主要部分。光机系统中空间光调制器，也可以称为“光阀”，是至关重要的器件。光阀通常是像素化的平面设备，其每个像素可以通过透射或者反射的方式对入射照明光进行独立地调控，进而调控每个像素的光通量，形成显示图像。投影显示系统按照空间光调制器的类型，大致可分为反射型的dmd(digital micro-mirror device，数字微镜器件)投影、透射型的lcd(liquid crystal display)投影和反射型的lcos(liquid crystal on silicon，硅基液晶)投影；按照空间光调制器的数量，又可以分为单板式投影、双板式投影和三板式投影。
4.三板式投影需要三个空间光调制器，分别调制rgb三色图像，然后通过合光元件合成彩色图像，再通过投影镜头将彩色图像投射出去。一方面，合光元件通常为实心棱镜，体积和质量大；另一方面，合光元件占据了空间光调制器至投影屏幕的投影光路空间。再加上三板式投影光路复杂、成本高、对位精度要求高等特点，因此，三板式投影不适于便携式投影。双板式投影的光路设计与三板式投影类似，基于同样的问题，双板式投影也不适于便携。
5.单板式投影仅使用单个光阀器件,并且仅对光强进行处理，对颜色不进行处理。显示图像时，在t1时刻，采用红光照明光照射光阀，光阀透射或反射显示红色图像；在t2时刻，绿色的照明光照射光阀，显示绿色的图像；在t3时刻，蓝色的照明光照射光阀，显示蓝色图像。当t1、t2、t3三个时刻切换速度足够快的情况下，得益于人眼的视觉暂留效果，观察者的眼睛会将三个单色的图像混合成一个彩色图像，进而实现彩色显示。该种光学架构的投影，首先，如果采用白光光源，那么在任意时刻都只有红、绿、蓝中的一个单色光源可以被利用，即显示红色图像时，绿色和蓝色需要从光源滤除，会导致投影系统的光学效率低；其次，三色图像需要在时序上切换的速度足够快，因此需要光阀器件的刷新率/响应时间足够快，否则观察者就可能看到颜色分离(colorbreakup)的图案，或在两种颜色的边界处观察到类似彩虹的图案。由于dmd的响应时间仅15μs，lcos的响应时间约1.5ms，而lcd的响应时间通常＞7ms，因此目前以单dmd投影和单lcos投影为主，通常不考虑以lcd为光阀的单板式投影。然而，单dmd投影和单lcos投影由于其反射型光路的特点，仍是光路复杂，难以进一步缩小体积。
6.为了克服白光光源单板式投影的光利用率低的难题，同时解决颜色分离的问题，美国专利us7046407b2提出了一种单板式透射lcd投影方案。请参见图1，白光灯泡光源14发出的光经反光杯12转换为平行白光，光栅16将该平行白光转换为不同颜色沿不同角度方向传播的彩色光束(即红绿蓝光的光束的主光轴角度不同)，该彩色光束经单微透镜阵列18汇聚和光栅22拉直后，成为空间分离的彩色光束(即红绿蓝光束彼此空间不重合)，入射于lcd20。而后，lcd20对入射的彩色光束进行调制，每1/3帧的时间内形成一红绿蓝像素分离的彩色图像光，在摆动板24的作用下，每三个1/3帧彩色图像光在空间错位的情况下实现时间叠加，从而形成1帧红绿蓝像素重合的彩色图像，被投影镜头26投影至屏幕28上形成大屏显示。该技术方案虽然似乎在理论上提供了单板式lcd投影的可能性，然而在近约二十年间从未出现相关实际产品，该类技术方案的专利也纷纷因不再维持而早早失效，可见该技术路线存在严重的现实可行性问题。本发明相关研发人员经研究发现，该技术方案在应用中往往会有像素串扰、图像显示混乱的问题，而且整个光学系统的效率很低，要达到可用的显示亮度，需要非常高的光源功率，而伴随高功率的光源而来的，是更大的光学系统、散热系统的体积和成本，以及更严重的像素串扰。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术的单板式lcd投影装置的像素串扰、实际可行性差的缺陷，本发明提供一种显示效果好、系统效率高的单板式液晶投影装置，包括白光光源模块，用于发出第一光束，所述第一光束至少包括红光、绿光和蓝光成分；第一波长角度分光器，用于使不同波长的光沿不同角度出射，所述第一光束经所述第一波长角度分光器成为彩色光束；第一微透镜阵列，由多个微透镜单元组成，设置于所述波长角度分光器的出射光光路上，用于将所述彩色光束汇聚，使得所述彩色光束在参考平面上形成红绿蓝分离的彩色条纹或彩色斑点；液晶显示器件，包括包含多个液晶像素的液晶像素阵列，所述液晶像素阵列设置于所述参考平面上，不同颜色的所述彩色条纹或彩色斑点分别落入不同的液晶像素上，所述液晶显示器件用于对入射光进行调制，形成彩色图像出射；投影镜头，用于将所述液晶显示器件出射的彩色图像投射至预定位置；其中，当所述第一光束的截面积与所述液晶显示器件的有效像素面积相当时，所述第一光束的发散半角不大于6
°
。
8.在一个实施方式中，当所述第一光束的截面积与所述液晶显示器件的有效像素面积相当时，所述第一光束的发散半角不大于3
°
。
9.在一个实施方式中，当所述第一光束的截面积与所述液晶显示器件的有效像素面积相当时，所述第一光束的发散半角不大于1.67
°
。
10.在一个实施方式中，当所述第一光束的截面积与所述液晶显示器件的有效像素面积相当时，所述第一光束的发散半角不小于0.014
°
。
11.在一个实施方式中，本发明提供一种单板式液晶投影装置，包括白光光源模块，用于发出第一光束，所述第一光束至少包括红光、绿光和蓝光成分；第一波长角度分光器，用于使不同波长的光沿不同角度出射，所述第一光束经所述第一波长角度分光器成为彩色光束；第一微透镜阵列，由多个微透镜单元组成，设置于所述波长角度分光器的出射光光路上，用于将所述彩色光束汇聚，使得所述彩色光束在参考平面上形成红绿蓝分离的彩色条纹或彩色斑点；液晶显示器件，包括包含多个液晶像素的液晶像素阵列，所述液晶像素阵列
设置于所述参考平面上，不同颜色的所述彩色条纹或彩色斑点分别落入不同的液晶像素上，所述液晶显示器件用于对入射光进行调制，形成彩色图像出射；投影镜头，用于将所述液晶显示器件出射的彩色图像投射至预定位置；其中，当所述第一光束的截面积与所述液晶显示器件的有效像素面积相当时，所述第一光束的发散半角θ满足以下关系：
[0012][0013]
其中n为所述微透镜单元的折射率，x为所述液晶像素大小，l为所述第一微透镜阵列与所述液晶像素阵列的距离。
[0014]
与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：白光光源模块出射的包含红光、绿光和蓝光成分的第一光束经过第一波长角度分光器的作用，使得红绿蓝光束的主光轴沿不同角度传播，再经过第一微透镜阵列，使得通过同一微透镜的红绿蓝光束分别朝向不同的空间位置汇聚，从而入射到不同的液晶像素上，通过限定第一光束的发散半角大小，使其满足小发散半角的条件，使得在第一光束通过白光光源模块与液晶显示器件之间的光学器件、将部分面分布转换为角分布时，液晶显示器件上的光的面分布能满足红绿蓝分布彼此分离，从而使得不同颜色的光斑不会串扰到隔壁像素，在液晶显示器件上形成减少了像素串扰的彩色图像，提高了显示质量；同时，通过减少第一光束的发散半角，提高了各光学器件的能量传递效率和投影镜头的光收集效率，提高了整体系统的光利用率，使得单板式液晶投影方案得以具有真正的实用性。
[0015]
在一个实施方式中，所述白光光源模块至少包括led光源和角分布转换器，所述led光源发出的光经所述角分布转换器转换后，得到第一光束；或者，所述白光光源模块至少包括激光荧光光源和角分布转换器，所述激光荧光光源发出的光经所述角分布转换器转换后，得到第一光束；或者，所述白光光源模块包括半导体固态光源阵列和光整形装置，所述半导体固态光源阵列发出的光经所述光整形装置整形后，得到第一光束。
[0016]
在一个实施方式中，所述白光光源模块还包括偏振转换器，用于使所述第一光束以单一偏振态出射。
[0017]
在一个实施方式中，所述白光光源模块至少包括沿光路方向依次设置的白光发光单元、锥形反射器和反射式偏振选择器件，所述锥形反射器的面积较小的一端为入射面，所述锥形反射器的面积较大的一端为出射面，所述白光发光单元出射的非偏振白光经所述锥形反射器的所述入射面入射，入射到所述锥形反射器内的光经所述锥形反射器的侧壁反射后由所述出射面出射或直接出射，所述锥形反射器的出射光中，至少部分透射所述反射式偏振选择器件后以单一偏振态出射，部分被所述反射式偏振选择器件反射后回到所述锥形反射器内。
[0018]
在一个实施方式中，还包括第二波长角度分光器，所述第二波长角度分光器设置于所述第一微透镜阵列与所述液晶显示器件之间，用于使所述彩色光束成为红绿蓝分离且各光束的主光轴平行的彩色光束阵列；或者，所述第二波长角度分光器设置于所述液晶显示器件与所述投影镜头之间，用于使所述彩色图像的各色光束的主光轴平行。
[0019]
在一个实施方式中，所述第二波长角度分光器为衍射光学器件、第二微透镜阵列或色散元件。
[0020]
在一个实施方式中，所述第二波长角度分光器为第二微透镜阵列，所述第二微透
镜阵列的每三个微透镜单元对应所述第一微透镜阵列的一个微透镜单元。
[0021]
在一个实施方式中，还包括像素偏移装置，设置于所述液晶显示器件的出射光路上，用于使所述彩色图像的光束沿垂直于光轴的方向平移，使得不同平移位置的彩色图像时序叠加。
[0022]
在一个实施方式中，还包括设置于光路中的滤光单元，所述滤光单元用于减少光路中的绿光主波长与红光主波长之间的光成分及/或所述滤光单元用于减少光路中的蓝光主波长与绿光主波长之间的光成分。
[0023]
在一个实施方式中，还包括吸收栅格，设置于所述第一微透镜阵列与所述液晶显示器件之间，所述吸收栅格包括阵列式的吸收区与透光区，所述吸收区设置于所述彩色光束的绿光主波长光束与红光主波长光束之间及/或所述吸收区设置于所述彩色光束的蓝光主波长光束与红光主波长光束之间。
[0024]
在一个实施方式中，所述吸收栅格设置于所述液晶显示器件上，同时用作所述液晶显示器件的电路导线。
[0025]
在一个实施方式中，所述液晶显示器件包括检偏器，所述检偏器与所述液晶像素阵列分离设置。
[0026]
在一个实施方式中，所述第一微透镜阵列为一维分布的柱透镜阵列，每一所述柱透镜对应三行或三列所述液晶像素；或者所述第一微透镜阵列为二维分布的柱透镜阵列，每一所述柱透镜对应三个液晶像素。
[0027]
在一个实施方式中，所述液晶像素阵列包括多个彩色液晶像素，每一所述彩色液晶像素至少包括三个液晶像素，所述液晶显示器件还包括位于其出射侧的混光装置，所述混光装置用于将每一所述彩色液晶像素的出射光混合均匀。
[0028]
在一个实施方式中，还包括像素偏移装置，设置于所述液晶显示器件的出射光路上，用于使所述彩色图像的光束沿垂直于光轴的方向平移，使得不同平移位置的彩色图像时序叠加。
[0029]
在一个实施方式中，所述第一波长角度分光器包括至少三个分区及一个驱动装置，在所述驱动装置的驱动下，各所述分区分时的位于所述第一光束的光路上，以使所述第一波长角度分光器分时的出射红绿蓝排列方式不同的彩色光束。
附图说明
[0030]
图1为现有技术中一种单板式透射lcd投影方案的光路示意图；
[0031]
图2为本发明单板式液晶投影装置的基本光学架构示意图；
[0032]
图3为本发明单板式液晶投影装置的实施例一的结构示意图；
[0033]
图4为波长角度分光器的功能示意图；
[0034]
图5为微透镜至液晶像素的光路示意图；
[0035]
图6为另一微透镜至液晶像素的光路示意图；
[0036]
图7为本发明实施例一的变形实施例的结构示意图；
[0037]
图8为本发明实施例一的又一变形实施例的结构示意图；
[0038]
图9为本发明实施例一的又一变形实施例的结构示意图；
[0039]
图10为本发明单板式液晶投影装置的实施例二的结构示意图；
[0040]
图11为本发明单板式液晶投影装置的第一微透镜阵列到第二波长角度分光器的光路结构示意图；
[0041]
图12为本发明单板式液晶投影装置的实施例三的结构示意图；
[0042]
图13为本发明单板式液晶投影装置的滤光单元滤光后的光谱曲线；
[0043]
图14为本发明单板式液晶投影装置实施例五的第一微透镜阵列到液晶像素阵列的局部光路结构示意图；
[0044]
图15为本发明单板式液晶投影装置的实施例七的局部光路结构示意图。
[0045]
图16为像素偏移后的图像时序叠加示意图。
具体实施方式
[0046]
本发明立足于解决单板式液晶投影技术方案的实用性问题，重点发现了技术问题的症结在于光源模块——以往的光源的发光元件发光面又大、发光角度又大，即为光学扩展量非常大的光源，导致光源与微透镜阵列、液晶显示器件匹配时，无法实现真正的彩色光斑分离。本发明通过将具有小光学扩展量的白光光源与“白光色分离后通过单板式液晶显示”的技术方案相结合，使得停留在纸面上的理论技术方案获得了真正的实用性，使老技术在新技术的注入下重新焕发活力。
[0047]
请参见图2，为本发明单板式液晶投影装置的基本光学架构示意图，单板式液晶投影装置包括白光光源模块10、第一波长角度分光器20、第一微透镜阵列30、液晶显示器件40和投影镜头50。白光光源模块10发出第一光束，第一光束至少包括红光、绿光和蓝光成分。第一光束入射到第一波长角度分光器20，被分为不同波长沿不同角度传播的彩色光束，即红光、绿光和蓝光分别沿不同的角度传播，彼此之间的主光轴之间存在夹角。该彩色光束入射到第一微透镜阵列30，其中第一微透镜阵列30由多个微透镜单元组成，用于将彩色光束汇聚，每一微透镜单元对入射于其的红光光束、绿光光束和蓝光光束分别进行汇聚，使得彩色光束在参考平面上形成红绿蓝分离的彩色条纹或者彩色斑点。液晶显示器件40就设置在参考平面上，包括包含多个液晶像素的液晶像素阵列，使得不同颜色的彩色条纹或彩色斑点分别落入不同的液晶像素上，在驱动信号的控制下，液晶显示器件40对入射光进行调制，形成彩色图像出射，而后，投影镜头50将液晶显示器件40出射的彩色图像投射到预定位置，形成显示图像。
[0048]
该光学架构下，传统的灯泡光源通过灯芯和反光杯得到所谓的平行白光，利用的光学原理是将灯芯置于抛物面反光杯的焦点位置。然而该光学模型是在理想情况下搭建的，即，将灯芯视为点光源。实际情况下，灯芯的发光部为丝线状，尺寸远不能视为点光源，即使对反光杯的反射曲面进行优化设计，由于光学扩展量守恒，4π立体角发光的灯芯的出射光在转换为近似平行光时的发散角也非常大，只有灯芯的视作光学中心的点发出的光能具有较好的平行度。特别地，采用越高功率的灯泡光源，灯芯的尺寸越大，其光学扩展量越大，导致在相同的光束面积下的光发散角越大。进一步地，在该白光通过波长角度分光器时，不同波长的光虽然主光轴相互错开，然而大发散角的光会出现重叠，例如绿光的靠近红光一侧的大发散角的光会与红光的靠近绿光一侧的大发散角的光重叠，导致该空间角度的光混合为黄光，不能正确的显示图像。
[0049]
同样的光学架构，本发明并不首要追求亮度等因素，而是着眼于“光学扩展量”这
一与亮度、功率无关的参数，采用小光学扩展量的光源，使得白光光源模块10发出的第一光束在通过第一波长角度分光器20之后，得到的彩色光束能够实现不同波长的光束彼此之间的重叠更少，然后，通过第一微透镜阵列30，进一步对光束进行空间分离，在参考平面上得到彼此分割更清晰的彩色条纹或彩色斑点，这些彩色条纹或彩色斑点就能够通过液晶显示器件40形成正确显示的图像。
[0050]
下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。
[0051]
请参见图3，为本发明的单板式液晶投影装置的实施例一的结构示意图。单板式液晶投影装置100包括白光光源模块110、第一波长角度分光器120、第一微透镜阵列130、液晶显示器件140和投影镜头150。
[0052]
白光光源模块110用于发出第一光束，第一光束至少包括红光、绿光和蓝光成分。在本实施例中，白光光源模块110包括沿光路方向一次设置的白光发光单元111、锥形反射器112、反射式偏振选择器件113和准直透镜114。
[0053]
锥形反射器112的面积较小的一端为入射面，面积较大的一端为出射面，以使白光发光单元111发射的非偏振白光经入射面入射到锥形反射器内部之后，经锥形反射器的侧壁反射后由出射面出射或直接出射，使得出射光斑的面积大于入射光斑的面积，从而减小了光束的发散角。本实施例中的锥形反射器112为实心锥形导光棒，光束通过全反射的方式在锥形反射器112的侧面反射。在本发明的其他实施方式中，锥形反射器112也可以为由反射板/反射面构成的空心锥形反射器，此处不再赘述。
[0054]
本实施例的锥形反射器112的出射光为非偏振白光，沿光路入射到反射式偏振选择器件113，部分光透射反射式偏振选择器件113后以单一偏振态继续出射，部分光被反射式偏振选择器件113反射后回到锥形反射器112内，在锥形反射器112内来回反射，重新经锥形反射器112的出射面出射而到达反射式偏振选择器件113，从而提高了对第一光束的利用率。为了使得回收后的第一光束能够减少回收次数，可以在锥形反射器内设置如1/4波片的结构，对光束的偏振态进行改变。在本发明中，反射式偏振选择器件113可以是例如线栅偏振片的装置。
[0055]
本实施例的白光光源模块110在反射式偏振选择器件113后增加了准直透镜114，以进一步对第一光束进行准直，使其顺利进入光路下游的光学元件。可以理解，在本发明的其他实施方式中，也可以不设置准直透镜，例如，当来自上游光路的第一光束满足小发散角的情况下。
[0056]
继续参见图3，来自白光光源模块110的第一光束入射到第一波长角度分光器120，被分为不同波长沿不同角度传播的彩色光束。同时参见图4，为本发明的波长角度分光器的功能示意图。如图所示，白光光束(图中w大箭头)从左侧入射到波长角度分光器，该白光光束具体为一发散半角为β的准平行光束(见图中虚线圆内所示)，主光轴垂直于波长角度分光器入射。经波长角度分光器的作用，不同波长的光在波长角度分光器内的传播路径不同，沿不同角度出射，使得在波长角度分光器的出射侧，白光光束分裂为彩色光束，如图所示，至少分裂出出射角度不同的红绿蓝三色光束(对应图中r/g/b大箭头光束)。同色光束仍为准平行光束，即沿同一主光轴的方向传播，且具有一定的发散半角。如图右侧虚线圆内所示，红绿蓝(即rgb)分别用点划线、实线和虚线表示，各自中间的光束箭头线表示主光轴，两侧箭头线表示光束边缘最大发散角的光线。由于在本发明的某些实施方式中，白光为连续
光谱，导致各波长的主光轴角度分布也是连续变化的，不可避免的使得在同一角度出射方向存在不同波长的两种光，但是主波长之间的混合色的成分相对较少，因此，本发明主要考虑用于显示的三基色红绿蓝主波长附近的光。如图4所述的方案中，以白光主光轴垂直的方式入射到波长角度分光器，在本发明的其他实施方式中，第一光束白光也可以以倾斜入射的方式进入波长角度分光器。
[0057]
以上从光学功能上对波长角度分光器进行了描述。具体地，波长角度分光器可以为衍射光学器件，如衍射光栅、二元光学元件、以及其他可以实现衍射作用的微光学结构。波长角度分光器还可以为色散元件，如棱镜或者包含棱镜结构的器件。
[0058]
来自波长角度分光器120的彩色光束入射到出射光光路上的第一微透镜阵列130。第一微透镜阵列130由多个微透镜单元组成，每个微透镜单元将入射的彩色光束分割出一个子光束，并将其汇聚，使得每一颜色的光汇聚到一个区域，从而使得彩色光束在参考平面上形成红绿蓝分离的彩色条纹或彩色斑点。在本发明中，参考平面在第一微透镜阵列的焦平面位置，由于装配误差等因素，同时考虑到液晶层的厚度等问题，参考平面可在以焦平面为中心距离第一微透镜阵列
±
10％的位置处设置。
[0059]
在本发明中，第一微透镜阵列可以为一维分布的柱透镜阵列，还可以为二维分布的柱透镜阵列。当第一微透镜阵列为一维分布的柱透镜阵列时，将彩色光束汇聚成为红绿蓝分离的彩色条纹；当第一微透镜阵列为二维分布的柱透镜阵列时，将彩色光束汇聚成红绿蓝分离的彩色斑点。
[0060]
液晶显示器件140包括包含多个液晶像素的液晶像素阵列141和检偏器142，液晶像素阵列141设置于参考平面上，使得不同颜色的彩色条纹或彩色斑点分别落入不同的液晶像素上。当第一微透镜阵列为一维分布的柱透镜阵列时，每一柱透镜对应三行或三列液晶像素；当第一微透镜阵列为二维分布的柱透镜阵列，每一柱透镜对应三个液晶像素。
[0061]
通过电路控制液晶显示器件140，使其对入射光的偏振态进行调制，得到包含不同偏振态的光，再经过检偏器142滤除部分偏振态的光，从而形成彩色图像出射。检偏器142可以为偏振滤光片。通常地，检偏器紧贴液晶像素阵列设置。在本实施例中，将检偏器142与液晶像素阵列141分离设置，避免了两者直接的热接触，从而避免液晶像素阵列141产生的热量造成检偏器142的老化、损坏。在本发明的其他实施方式中，检偏器142也可以贴近液晶像素阵列141设置，如图10中的实施例二的液晶显示器件240所示。
[0062]
投影镜头150设置在液晶显示器件140的出射光路上，用于将彩色图像投射至预定位置，形成可供观众观看的图像。本实施例中，投影镜头150由多个透镜组成。可以理解，附图中的投影镜头包含的透镜数量不对本发明投影镜头包含的透镜数量构成限定，本领域技术人员可根据投影场景需求对产品镜头进行设计，投影镜头还可以包括反射曲面等光学结构，此处不再赘述。
[0063]
在本发明类似光学架构中，像素串扰问题主要发生在第一微透镜阵列30到液晶显示器件40的过程中，本发明人对此进行了详细的研究。请参见图5，为微透镜至液晶像素的光路示意图。为便于说明，该图仅示意出第一微透镜阵列30的一个微透镜单元30-1及其对应的一组液晶像素41-1，其中一组液晶像素41-1包括rgb三像素，构成一完整的彩色像素。(若微透镜单元30-1为一维分布的柱透镜阵列组成的第一微透镜阵列中的一个单元，那么对应的液晶像素组41-1则为长条形的一行/列像素。)
[0064]
图5的视角选择对光束汇聚的视角，仅以绿光g为例进行说明，其中实线为绿光g沿主光轴方向的光线，虚线为绿光g沿最大发射半角θ方向的光线(为便于说明，仅选取一侧的光进行描述)。本实施例中，绿光g的主光轴垂直于液晶显示器件。
[0065]
为避免像素串扰，要求避免绿光最外侧的最大发散半角的光照射到蓝像素或红像素。研究从第一微透镜阵列的入射面开始到液晶像素阵列的入射面的光路，为便于图示，设置了靠近第一微透镜阵列入射面的面a为参考光波面，该参考光波面a与第一微透镜阵列的入射面无限接近(图中的距离为夸张的画法，仅为便于标记)，因此可以认为第一光束通过参考光波面a的截面积等于第一微透镜阵列的截面积，过参考光波面a的第一光束的发散半角θ等于第一微透镜阵列的入射光发散半角。为使各个微透镜单元的光路基本相同，整个第一微透镜阵列的尺寸与液晶像素阵列的尺寸相当，因此，发散半角θ也为，当第一光束的截面积与液晶显示器件的有效像素面积相当时的第一光束发散半角。
[0066]
如图所示，单色液晶像素大小为x，第一微透镜阵列与液晶像素阵列的距离为l，微透镜单元30-1的折射率为n，则第一光束的发散半角θ满足以下关系：
[0067][0068]
在本发明中，第一微透镜阵列与液晶像素阵列的距离l的设置受到多方面因素的影响。一方面，距离l与第一微透镜阵列的微透镜单元的焦距直接相关，过小的焦距导致微透镜单元的曲率半径增大、成本增加、球差增加；另一方面，受光学元件装配精度的影响，l越小，装配误差带来的影响越大；此外，还有发热的液晶像素阵列对第一微透镜阵列的传热造成的热失真影响，l越小，传热越明显。液晶像素的尺寸x则受到自身成本、下游光路的投影镜头成本等的影响，不能采用过大尺寸。因此，综合多方面因素，在当第一光束的截面积与液晶显示器件的有效像素面积相当时，本发明的第一光束发散半角θ不大于6
°
。
[0069]
请参见图6，为另一微透镜至液晶像素的光路示意图，该图仅选取红光r为分析光线，绿光的路径及图中标记编号可参考图5。由于上游光路的波长角度分光器的作用，红光r与绿光g的主光轴之间存在夹角，红光r以整体斜入射的方式入射到第一微透镜阵列，并在微透镜单元的汇聚作用下，汇聚到红绿蓝像素组的红像素区域。同样地，实线为红光r沿主光轴方向的光线，虚线为红光r沿最大发射半角方向的光线(为便于说明，同样仅选取一侧的光进行描述)。在仅考虑红光铺满红像素的极限情况，使得不发生像素串扰，则图6所示的红光情形与图5所示的绿光情形类似，因此，第一光束的红光发散半角θ也满足不大于6
°
或者满足条件：
[0070][0071]
值得注意的是，在第一光束被第一波长角度分光器分成彩色光束之前，红光成分、绿光成分和蓝光成分处于重合状态，各自的光束截面积与光束发散角相同。在第一光束成为彩色光束之后，各光束在主光轴传播角度上发生变化，但是光束截面积仍可认为相同，因此，根据光学扩展量守恒，红光、绿光和蓝光的发散角也相同。所以，可以把红绿蓝单色光束的发散角等同于角度分光前的第一光束白光的发散角。
[0072]
请继续参见图6，从包含红绿蓝液晶像素的彩色液晶像素组41-1的角度来看，该彩色像素的出射光中，角度最大的光来自从一个微透镜单元最边缘入射的最大发散半角红
光，该红光在微透镜单元30-1的汇聚作用下，到达红液晶像素的最边缘(也即整个红绿蓝彩色像素的最边缘)，该光经红液晶像素调制后出射，成为液晶显示器件140的最大发射半角的出射光。为提高光利用率，投影镜头150对液晶显示器件140的出射光尽可能多的收集，因此要求投影镜头150的入镜头半角不小于液晶显示器件140的最大发射半角。一般地，镜头的收集角度越大，镜头的设计难度和成本越高。在本发明的光学架构中，镜头的收集角度需求与液晶像素尺寸x、第一微透镜阵列与液晶像素阵列的距离l、微透镜单元的折射率n相关，而x、l、n同时也与第一光束的发散半角θ相关，在研究了镜头实际产品化可行性的基础上，本发明优选地，当第一光束的截面积与液晶显示器件的有效像素面积相当时，第一光束的发散半角不大于3
°
。更进一步优选地，当第一光束的截面积与液晶显示器件的有效像素面积相当时，第一光束的发散半角不大于1.67
°
，具有更优异的经济性。
[0073]
可以理解，在图5和图6的示例中，蓝光及蓝液晶像素与红光及红液晶像素位置对称，因此本发明仅以红光举例进行说明，蓝光的情形基本上参照红光，不再赘述。
[0074]
以上，结合图3～图6对实施例一及本发明的通用技术特征进行了描述。在实施例一中，白光光源模块110包括沿光路方向一次设置的白光发光单元111、锥形反射器112、反射式偏振选择器件113和准直透镜114。其中，白光发光单元111可以为led光源或激光荧光光源(即激光激发荧光材料得到白光)。更普遍的，在本发明中，白光光源模块可以至少包括led光源和角分布转换器，led光源发出的光经角分布转换器转换后，得到第一光束。
[0075]
角分布转换器利用光学扩展量守恒的原理，使得出射光束的截面积大于入射光束的截面积，从而减小光束的发散角。led光源本身的发散角较大，无法直接出射可用的第一光束，因此需要配合角分布转换器得到第一光束。实施例一中的锥形反射器112和准直透镜114就可以看作一种角分布转换器。
[0076]
在本发明的其他实施方式中，白光光源模块还可至少包括激光荧光光源和角分布转换器，激光荧光光源发出的光经角分布转换器转换后，得到第一光束。请参见图7，为本发明实施例一的变形实施例的结构示意图。单板式液晶投影装置100’包括白光光源模块110’、第一波长角度分光器120、第一微透镜阵列130、液晶显示器件140和投影镜头150。图7所示变形实施例中，编号与图3相同的部分，参照实施例一中的描述。本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，白光光源模块110’包括激光荧光光源和角分布转换器。其中，激光荧光光源包括激发光源115和波长转换装置116；角分布转换器包括锥形反射器112’，锥形反射器112’上包括一入光口，激发光源115发出的激发光经入光口入射进入锥形反射器112’，而后到达波长转换装置116。在一个具体实施方式中，激发光源115为蓝光激光器(如蓝光激光二极管或蓝光激光二极管阵列)，波长转换装置116包括黄色荧光材料，蓝光激光激发黄色荧光材料产生黄光与未被吸收的蓝光，从而形成白光出射光。该白光的发散角较大，因此通过锥形反射器112’的作用得到大光束截面积小光发散角的光束。波长转换装置116可以包括荧光玻璃层、荧光陶瓷层或有机荧光层。相对于实施例一的技术方案，本变形实施例进行了光源的替换，具有更高的发光效率，适用于更高亮度的应用场景。
[0077]
图7所述的变形实施例中，波长转换装置116为反射式波长转换装置，即激发光的入射侧与荧光的出射侧在波长转换装置116的同侧，在本发明的其他实施方式中，波长转换装置也可以为透射式波长转换装置，激发光源设置于波长转换装置的远离角分布转换器的一侧。
[0078]
在本发明的其他实施方式中，白光光源模块还可以包括半导体固态光源阵列和光整形装置，半导体固态光源阵列发出的光经光整形装置整形后，得到第一光束。请参见图8，为本发明实施例一的又一变形实施例的结构示意图。单板式液晶投影装置100”包括白光光源模块110”、第一波长角度分光器120、第一微透镜阵列130、液晶显示器件140和投影镜头150。图8所示变形实施例中，编号与图3相同的部分，参照实施例一中的描述。
[0079]
本变形实施例中，白光光源模块110”包括固态光源阵列117、光整形装置118和偏振转换器113’，具体地，固态光源阵列117包括红激光二极管阵列、绿激光二极管阵列和蓝激光二极管阵列，三者通过光整形装置118合光并匀光。光整形装置118例如可以为一积分棒。光整形装置118的出射光经偏振转换器113’作用，得到以单一偏振态出射的第一光束。偏振转换器113’可以为一pcs阵列，其可应用到各实施例中，对反射式偏振选择器件113进行替换，但会造成光学扩展量的稀释。
[0080]
在图8所示的变形实施例中，固态光源阵列也可以替换为led光源阵列，由于其发散角较大，因此还是需要角分布转换器将其转为小发散角的光，以便于后续光路。
[0081]
在图8中，rgb三色固态光源直接通过积分棒进行耦合。在本发明其他实施方式中，也可以通过二向色片先将rgb三色光合光，然后再进行整形和/或角分布转换。
[0082]
在本发明的一个实施方式中，还可以采用固态光源与透明荧光棒结合的方式获得第一光束，其中，固态光源发出激发光入射到透明荧光棒内，一部分直接通过透明荧光棒在出射面出射，一部分激发透明荧光棒后，形成与激发光互补的荧光，而后在出射面出射。透明荧光棒可做成角分布转换器的形状。
[0083]
请参见图9，为本发明实施例一的又一变形实施例的结构示意图。单板式液晶投影装置100
”’
包括白光光源模块110
”’
、第一波长角度分光器120、第一微透镜阵列130、液晶显示器件140和投影镜头150。图9所示变形实施例中，编号与图3相同的部分，参照实施例一中的描述。本实施例中，白光光源模块110
”’
包括固态光源阵列117’和光整形装置119，其中，固态光源阵列117’同向设置，为激光二极管阵列，通过包括复眼透镜对的光整形装置119进行匀光以及改变发散角。
[0084]
在本发明中，当采用激光直接作为白光光源模块的发光源时，由于激光的光学扩展量小、能量密度高，往往需要对激光进行扩束与准直。激光的光学扩展量越小，激光出射口的光发散角越小，则激光器的成本越高，因此，为提高本发明的产品化经济性，优选地，当第一光束的截面积与液晶显示器件的有效像素面积相当时，第一光束的发散半角不小于0.014
°
。
[0085]
请参见图10，为本发明单板式液晶投影装置的实施例二的结构示意图。单板式液晶投影装置200包括白光光源模块210、第一波长角度分光器220、第一微透镜阵列230、液晶显示器件240、投影镜头250和第二波长角度分光器260。
[0086]
白光光源模块210、第一波长角度分光器220、第一微透镜阵列230、液晶显示器件240、投影镜头250，可参照上述实施例中的白光光源模块110/110’/110”/110
”’
、第一波长角度分光器120、第一微透镜阵列130、液晶显示器件140、投影镜头150的描述，此处不在赘述。与实施例一相比，实施例二的主要区别在于增加了第二波长角度分光器260。由于第一波长角度分光器220使得第一光束的蓝光成分和红光成分分别相对绿光成分的主光轴向两侧偏移了一定角度，导致不利于光收集。为解决这个问题，设置第二波长角度分光器260对
两侧的光进行拉直，使得红光、绿光和蓝光成分的主光轴能够尽可能保持平行。
[0087]
在本实施例中，第二波长角度分光器260设置于液晶显示器件240与投影镜头250之间，用于使彩色图像的各色光束的主光轴平行。
[0088]
在本实施例二的变形实施例中，第二波长角度分光器还可以设置于第一微透镜阵列与液晶显示器件之间，用于使彩色光束成为红绿蓝分离且各光束的主光轴平行的彩色光束阵列。在该实施方式中，由于已通过第一微透镜阵列完成了对面分布到角分布的转化，不会使得已经分离的红绿蓝光束重新合并为白光光束。该实施方式只旨在于改变红光和蓝光的主光轴方向。需要说明的是，该技术方案的难度较高，由于原本第一微透镜阵列到达液晶像素阵列的距离一般在1mm以内，而且该距离越近，越有利于避免微透镜单元之间的接缝产生的杂散光的影响，因此难以再进一步在该空间内设置其他光学元件，也难以保证安装精度；而且波长角度分光器具有一定的折射率，导致对光程的计算复杂化；除此之外，第二波长角度分光器与第一微透镜阵列的对位也存在难度。因此，本发明优选地是采用如图10所示的将第二波长角度分光器260设置于液晶显示器件240之后的方案。
[0089]
在本实施例二或其变形实施例中，第二波长角度分光器为衍射光学器件，如衍射光栅、二元光学元件、以及其他可以实现衍射作用的微光学结构；第二波长角度分光器还可以为第二微透镜阵列；第二波长角度分光器还可以为色散元件，如棱镜或者包含棱镜结构的器件，例如，当第一波长角度分光器为色散元件时，第二波长角度分光器为反向设置的色散元件，两者呈垂直翻转布置，使得每一光束等效于穿过平行六面体，从而光束的主光轴方向保持一致。
[0090]
请参见图11，为实施例二的变形实施例中，第一微透镜阵列230至第二波长角度分光器260’的光路结构示意图，其中，第二波长角度分光器260’为第二微透镜阵列，该第二微透镜阵列260’与液晶显示器件240的液晶像素阵列相对应，第二微透镜阵列260’的每三个微透镜单元对应第一微透镜阵列230的一个微透镜单元。当第一微透镜阵列230为一维分布的柱透镜阵列时，第二微透镜阵列260’也是一维分布的柱透镜阵列，第二微透镜阵列260’的每一柱透镜对应一行或一列液晶像素；当第一微透镜阵列230为二维分布的柱透镜阵列时，第二微透镜阵列260’也是二维分布的柱透镜阵列，第二微透镜阵列260’的每一柱透镜对应一个液晶像素。
[0091]
图11仅示出了平行于主光轴入射到第一微透镜阵列230的红绿蓝主波长光束，因此，在第一微透镜阵列230的作用下，红绿蓝主波长光束分别汇聚到液晶显示器件240的红绿蓝液晶像素的一点；以相对于主光轴方向偏移一定角度的发散光则汇聚到第一微透镜阵列230的焦平面的其他点，从而填充红绿蓝液晶像素。对于位于彩色像素组中间的绿液晶像素，其入射光为垂直入射的绿光，出射后，绿光主光轴不变，对应的第二微透镜阵列260’的微透镜单元对其进行准直，将液晶显示器件240的液晶像素阵列设置在第二微透镜阵列260’的前焦面上，则严格沿主光轴方向的绿光在第一微透镜阵列230之前和第二微透镜阵列260’之后都是绝对的平行光。考虑到实际情况中不存在绝对的平行光，入射到第一微透镜阵列230之前的光带有发散角，在第一微透镜阵列230至液晶显示器件240的过程中，光束铺满液晶像素，而非在液晶像素上聚焦为点/线，总体的单色光束截面积减小、发散角变大。
[0092]
在由液晶显示器件240至第二微透镜阵列260’出射的过程中，光束截面积基本不变，光束的总体发散角不变，但是主光轴的方向被改变。这是由于，液晶像素阵列设置在第
二微透镜阵列260’的前焦面，铺满液晶像素的光可看作无数零维发光点的累加，这些发光点发出的光经第二微透镜阵列260’作用被转化为绝对平行光，由无数零维点产生的无数绝对平行光的叠加，即为第二微透镜阵列260’的出射光。对于单个像素来说，不同位置的零维点产生的平行光的角度不同，也就构成了第二微透镜阵列260’的微透镜单元出射光的发散角。根据光学扩展量守恒，液晶显示器件240的液晶像素阵列的尺寸与第二微透镜阵列260’的尺寸相对应，因此两者的出射光发散角基本相等。
[0093]
为使得第二微透镜阵列260’出射的红光的主光轴能够平行于绿光的主光轴，优选地，平行于红光主光轴的红光在红液晶像素上的焦点与红液晶像素对应的微透镜单元的中心的连线恰好平行于绿光主光轴。蓝光的情况与红光类似，将上述描述中的红光替换成蓝光即为蓝光的技术方案。
[0094]
请参见图12，为本发明单板式液晶投影装置的实施例三的结构示意图。单板式液晶投影装置300包括白光光源模块310、第一波长角度分光器320、第一微透镜阵列330、液晶显示器件340、投影镜头350、第二波长角度分光器360和像素偏移装置370。其中，白光光源模块310、第一波长角度分光器320、第一微透镜阵列330、液晶显示器件340、投影镜头350、第二波长角度分光器360的描述可以参照上述各实施例及其变形实施例的描述。
[0095]
与上述实施例相比，本实施例三的区别主要在于，增加了像素偏移装置370，设置于液晶显示器件340的出射光路上，用于使彩色图像的光束沿垂直于光轴的方向平移，使得不同平移位置的彩色图像时序叠加。
[0096]
像素偏移装置370可以是通过电流或电压控制转动角度的透明平板光学器件，当像素偏移装置370的透明平板转动一定角度时，通过该透明平板的光经过两次折射后而整体平移，透明平板在转动位置处停留预定时间，然后转动到其他位置。在一个图像帧周期中，像素偏移装置370可以包括2个稳态或4个稳态，图像被响应的拆成2个子帧或4个子帧，人眼通过时间积分功能，对捕获的2个或4个图像进行叠加，从而在脑中形成高分辨率的图像。可以理解，像素偏移装置还可以包括更多的稳态，从而实现更高的分辨率，本发明不对像素的倍增数量做限制。
[0097]
在其他实施方式中，像素偏移装置还可以是液晶双折射装置，通过电压控制液晶分子的偏转角度，从而对通过该液晶双折射装置的光进行平移，从而实现整体像素偏移的作用，效果类似于上述机械转动的像素偏移装置，此处不再赘述。
[0098]
在本发明的实施例四中，以上述各实施例或其变形实施例为基础，还包括设置于光路中的滤光单元，该滤光单元用于减少光路中的绿光主波长与红光主波长之间的光成分及/或滤光单元用于减少光路中的蓝光主波长与绿光主波长之间的光成分。
[0099]
该滤光单元可以为一个整块的滤光片，可以设置在光路的多种位置。例如可以设置在白光光源模块内，直接从源头对白光进行修色，也可以设置在白光光源模块与第一波长角度分光器之间、第一波长角度分光器与第一微透镜阵列之间、第一微透镜阵列与液晶显示器件之间、液晶显示器件与投影镜头之间。通过设置滤光单元，能够对红绿蓝色的色坐标进行调节，使得图像颜色更鲜艳，色域更广。将滤光片设置于液晶显示器件的上游光路中，能够减少光穿过液晶显示器件时产生的热量。
[0100]
滤光单元还可以为与液晶像素一一对应的滤光阵列，对红绿蓝像素出射的红绿蓝光分别进行滤光修色，从而达到更精细的光谱效果。该滤光阵列可以通过阵列化镀膜实现，
滤光膜层可以是吸收型的或反射型的。
[0101]
请参见图13，为滤光后的光谱曲线，对红光与绿光、绿光与蓝光之间的混合色光成分进行滤除，从而提高色域。可以理解，当采用的光源为窄光谱光源，如纯激光光源时，红光、绿光、蓝光的光谱彼此为分离的光谱，那么则可以不设置滤光单元。
[0102]
在本发明的实施例五中，以上述各实施例或其变形实施例为基础，还包括吸收栅格，设置在第一微透镜阵列与液晶显示器件之间。请参见图14为本发明单板式液晶投影装置实施例五的第一微透镜阵列到液晶像素阵列的局部光路结构示意图。来自第一微透镜阵列30光在到达液晶像素阵列41之前，部分被吸收栅格43吸收。吸收栅格包括阵列式的吸收区与透光区，图中的黑色部分即为吸收区，吸收区设置于彩色光束的绿光主波长光束与红光主波长光束之间及/或设置于彩色光束的蓝光主波长光束与红光主波长光束之间。为便于说明，本实施例附图13仅示出了绿光主波长光束，以及绿光主波长光束与红光主波长光束之间的黄光y的部分光束。由于黄光y的波长介于绿光与红光之间，因此在通过第一波长角度分光器后，黄光相对于绿光的角度偏移量小于红光相对于绿光的角度偏移量，因此黄光y的传播路径介于绿光与红光之间。通过各波长光束在空间位置上的差异，对应的设置吸收栅格，能够无需复杂的镀膜工艺制造滤光膜，具有成本优势。而且，通过设置吸收栅格，能够进一步消除可能存在的串扰光，进一步减少像素串扰。
[0103]
在本实施例中，吸收栅格43设置于液晶显示器件上，可以同时作为液晶显示器件的电路导线，恰好对应到液晶像素单元的控制电路，从而一举两得。可以理解，在本发明的其他实施方式中，也可以使吸收栅格相对于液晶像素阵列悬空设置，从而使得吸收栅格吸收光束而产生的热量不会直接传导到液晶像素阵列上，提高其可靠性。
[0104]
吸收栅格43所吸收的光谱可以参照图13上述的情况，通过吸收栅格43对光进行吸收，能够做到在该区域完全吸收，不存在透射率曲线随角度变化的问题，更加可靠。
[0105]
在本发明的实施例六中，为解决彩色像素分离的问题，同时提高彩色像素分辨率，第一波长角度分光器包括至少三个分区及一个驱动装置，在驱动装置的驱动下，各个分区分时的位于白光光源模块出射的第一光束的光路上，以使第一波长角度分光器分时的出射红绿蓝排列方式不同的彩色光束。
[0106]
举例说明，上述各实施例中，第一波长角度分光器的出射光的角度按照图中从左到右的蓝、绿、红的排序，绿光位于中央，实现该排列的第一波长角度分光器可作为实施例六的第一波长角度分光器的第一分区；在实施例六的第一波长角度分光器的第二分区，出射光的角度按照红、蓝、绿的排序，在实施例六的第一波长角度分光器的第三分区，出射光的角度按照绿、红、蓝的排序。第一分区、第二分区、第三分区按照顺序周期性的位于光路中，从而得到红绿蓝光轮循的出射光。该技术方案使得每一个液晶像素都能够在一个图像帧内在不同时序分别出射红绿蓝光，使得该像素成为包含红绿蓝全色的彩色像素。在同样的液晶像素数量的情况下，图像像素数量增加为原来的三倍。
[0107]
可以理解，虽然在实施例六中列举了三个分区的情况，在本发明的其他实施方式中，也可以有三个以上数量的分区，不对此做出限制。在该类实施例中，由于液晶像素并非对应某一特定颜色，因此不宜在液晶像素后方设置阵列化的滤光膜层阵列。
[0108]
在本发明的实施例七中，以上述各实施例或其变形实施例为基础，还包括位于液晶显示器件出射侧的混光装置。请参见图15，为本发明的单板式液晶投影装置实施例七的
局部光路结构示意图。液晶显示器件740包括液晶像素阵列741和混光装置744，其中液晶像素阵列包括多个彩色液晶像素，彩色液晶像素定义为每一彩色液晶像素至少包括三个液晶像素，混光装置744包括多个混光单元，混光单元与彩色液晶像素一一对应，使得混光装置用于将每一彩色液晶像素的出射光混合均匀。
[0109]
具体地，在本实施例七中，混光装置744包括混光腔7441以及散射单元7442，混光腔7441用于使彩色液晶像素的出射光限制在混光腔内传播，然后通过散射单元7442出射，从而达到匀光整形的效果，使得每个彩色液晶像素的出射光都是包括红光、绿光和蓝光成分的彩色光，可以直接作为一个彩色像素使用。
[0110]
在实施例七的技术方案中，由于至少三个液晶像素构成一个彩色液晶像素，使得该技术方案的图像的分辨率不高。为进一步提高分辨率，在实施例七的变形实施例中，可进一步增加像素偏移装置，设置于液晶显示器件的出射光路上，用于使液晶显示器件出射的彩色图像的光束沿垂直于光轴的方向平移，使得不同平移位置的的彩色图像时序叠加。
[0111]
请参见图16，为像素偏移后的图像时序叠加示意图。设一个图像帧包括两个图像子帧，在一个图像帧周期t内，分别在第一图像帧周期t1和第二图像帧周期t2显示图中虚线和实线两组子帧图像，两者叠加，形成分辨率更高的图像。在本实施例中，列举了像素偏移装置的一种技术方案，更多技术方案可以参考图12的实施例三及其变形实施例的描述，此处不再赘述。
[0112]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0113]
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。