專利名稱：集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成光學(xué)系統(tǒng)，包含單面板微型顯示成像器及成像傳感器，既能夠進(jìn) 行投影顯示又便于圖像傳感。
背景技術(shù)：
隨著對蜂窩電話及其他手持設(shè)備上的便攜式數(shù)字顯示器需求的增長，催生了微型 或微微型投影儀市場的出現(xiàn)及擴(kuò)張，這種投影儀采用簡單但卻是一種在緊縮結(jié)構(gòu)中基于 單面板微型顯示成像器(如數(shù)字光處理(Digital LightProcession，簡稱DLP)和硅基 液晶(Liquid Crystal On Silicon，簡稱LCOS))以及縮微光源(如發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，簡稱LED)及激光器)的反射型投影光學(xué)引擎。進(jìn)一步也激起了將縮微型 照相機(jī)集成到這種便攜式顯示系統(tǒng)中的興趣，不僅僅為縮小和/或簡化手持式電子系統(tǒng)， 也為了協(xié)作及擴(kuò)展投影顯示與視頻成像的集成能力。但是，將圖像及視頻傳感器件與微型或微微型投影光學(xué)引擎設(shè)置在一起的方式在 功能及成本方向考慮是難以直接實(shí)現(xiàn)的。尤其是在技術(shù)層面，對于系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)施都有如 下挑戰(zhàn)1)用于投影的高強(qiáng)度光與用于成像的低強(qiáng)度光；2)投影和成像均要穿過同樣的光 學(xué)引擎和透鏡系統(tǒng)形成的光路；3)在投影過程和成像過程之間或他們的使能集成電路之 間的光電干擾或串?dāng)_，等等。在許多參考文獻(xiàn)中的現(xiàn)有技術(shù)都沒能闡述上述任一種挑戰(zhàn)的 解決辦法。例如，在一種單DLP面板微型顯示投影系統(tǒng)中，使用全內(nèi)反射(Total Internal Reflection，簡稱TIR)來管理光路，以實(shí)現(xiàn)由準(zhǔn)直光源照射DLP成像器并且同時將來自于 DLP成像器的投影圖像引導(dǎo)到并穿過投影透鏡。由于從外部物體穿過投影鏡片的成像光大 部分都穿過TIR而不是被反射到成像傳感器，因此，僅僅簡單地在TIR的另一側(cè)與DLP成像 器相對放置成像傳感器并不能滿足從外部物體穿過可調(diào)焦的投影鏡片及TIR到達(dá)成像傳 感器進(jìn)行成像的光路管理需求?，F(xiàn)有的LCOS微型顯示后投影顯示系統(tǒng)包括用于調(diào)整投影 圖像的圖像傳感器要求進(jìn)行光學(xué)設(shè)計并集成兩組相反的子系統(tǒng)，尤其在抗光電干擾和串?dāng)_ 的效果方面，其也沒能解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)，能夠同時實(shí)現(xiàn)投影和成像，從而 有效解決上述技術(shù)問題。本發(fā)明一實(shí)施例提供一種集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)，其中包括可變焦透鏡系統(tǒng)，具有一主軸；平面偏振分光器，面對所述可變焦透鏡系統(tǒng)，與所述主軸呈45度的夾角；反射型偏振調(diào)制成像器，設(shè)置于所述平面偏振分光器的第一側(cè)，與所述平面偏振 分光器呈45度的反射角；成像傳感器，設(shè)置于所述平面偏振分光器的第二側(cè)，與所述平面偏振分光器呈45 度的成像角；
發(fā)光模塊，用于發(fā)出與所述平面偏振分光器呈45度的入射角的準(zhǔn)直光；其中，從所述反射型偏振調(diào)制成像器穿過平面偏振分光器到達(dá)可變焦透鏡系統(tǒng)測 量出的投影過程的光通過距離等于從成像傳感器穿過平面偏振分光器到達(dá)可變焦透鏡系 統(tǒng)測量出的成像過程的光通過距離。本發(fā)明所述集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)能夠同時實(shí)現(xiàn)投影和成像，可以廣泛應(yīng) 用于各種微型顯示投影系統(tǒng)尤其是單成像器微型顯示投影系統(tǒng)中。


為了更清楚地說明本發(fā)明或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù) 描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一 些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這 些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明一實(shí)施例所述集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)的截面圖；圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例所述集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)的截面圖；圖3為本發(fā)明又一實(shí)施例所述集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)的截面圖；圖4為本發(fā)明再一實(shí)施例所述集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)的截面圖；圖5a為本發(fā)明上述實(shí)施例所述包含后置偏振器的成像傳感器一種結(jié)構(gòu)的截面 圖；圖5b為本發(fā)明上述實(shí)施例所述包含后置偏振器的成像傳感器另一種結(jié)構(gòu)的截面 圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附 圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明 一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有 作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。圖1為本發(fā)明一實(shí)施例所述集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)900的截面圖。如圖所 示，該集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)900包括1)具有一主軸110的可變焦透鏡系統(tǒng)100 ； 2)平面偏振分光器200，面對所述可變焦透鏡系統(tǒng)100，與所述主軸110呈45度的夾角；3) 反射型偏振調(diào)制成像器300，設(shè)置于所述平面偏振分光器200的第一側(cè)，與所述平面偏振分 光器200呈45度的反射角；4)成像傳感器400，設(shè)置于所述平面偏振分光器200的第二側(cè)， 與所述平面偏振分光器200呈45度的成像角；以及5)發(fā)光模塊500，用于發(fā)出與所述平面 偏振分光器200呈45度的入射角的準(zhǔn)直光510。所述發(fā)光模塊500沿第一方向51朝平面偏振分光器200發(fā)出準(zhǔn)直源光510，該第 一方向51相對于平面偏振分光器200呈45度的入射角，該準(zhǔn)直源光510中包括處于第一 偏振態(tài)1的第一偏振源光10及處于第二偏振態(tài)2的第二偏振源光20。所述第一偏振源光 10經(jīng)平面偏振分光器200反射后成為處于第一偏振態(tài)1的成像器入射光11，以第二方向52 反射到反射型偏振調(diào)制成像器300。通過在調(diào)制的同時偏振旋轉(zhuǎn)90度，產(chǎn)生處于第二偏振 態(tài)2的偏振調(diào)制圖像光束12，并由反射型偏振調(diào)制成像器300發(fā)送到平面偏振分光器200，其中一部分光束穿過平面偏振分光器200成為偏振調(diào)制投影光束13。通過可變焦透鏡系 統(tǒng)100后，處于第二偏振態(tài)2的偏振調(diào)制投影光束13被投影到外部物體910 (如投影屏幕 或成像物體)上，形成投影圖像365，該投影圖像365復(fù)制了在反射型偏振調(diào)制成像器300 上產(chǎn)生的原始信號圖像360。該系統(tǒng)900中進(jìn)一步包括后置偏振器640，設(shè)置于所述平面偏振分光器200與所述 成像傳感器400之間，該后置偏振器640的偏振方向垂直于所述平面偏振分光器200。第二 偏振態(tài)2的第二偏振源光20通過平面偏振分光器200成為第二偏振光21，但絕大部分在到 達(dá)成像傳感器400之前都被后置偏振器640阻擋或反射回平面偏振分光器200，從而將投影 顯示及成像之間的光學(xué)干擾和串?dāng)_減小到最低，尤其是發(fā)光模塊500與成像傳感器400也 達(dá)到同樣的降低干擾的效果。外部物體910的外部圖像460產(chǎn)生處于兩個偏振態(tài)的圖像光束，即處于第一偏振 態(tài)1的第一偏振圖像光23及處于第二偏振態(tài)2的第二偏振圖像光33。然后，該第一偏振圖 像光23被平面偏振分光器200反射成為處于第一偏振態(tài)1的成像入射偏振光22，傳送到 后置偏振器640，處于第二偏振態(tài)2的第二偏振圖像光33中的大部分穿過平面偏振分光器 200到達(dá)反射型偏振調(diào)制成像器300。處于第一偏振態(tài)1的成像入射偏振光22中的大部分 穿過后置偏振器640照射到成像傳感器400，該成像傳感器400產(chǎn)生對應(yīng)于外部圖像460的 傳感圖像465的電信號。同時，為了充分調(diào)整成像入射偏振光22在成像傳感器400上的曝 光強(qiáng)度，在可變焦透鏡系統(tǒng)100中進(jìn)一步設(shè)置光圈調(diào)整器120，用于調(diào)整光圈從而調(diào)整調(diào)整 穿過可變焦透鏡系統(tǒng)100最終到達(dá)成像傳感器400的成像過程的光感及調(diào)整從反射型偏振 調(diào)制成像器300和發(fā)光模塊500穿過可變焦透鏡系統(tǒng)100的投影過程的光感。所述反射型偏振調(diào)制成像器300由采用規(guī)則平鋪平面排列調(diào)制像素平面陣列350 構(gòu)成，而成像傳感器400由另一種采用規(guī)則平鋪平面排列的圖像傳感像素陣列450構(gòu)成，如 圖1所示，均可選地設(shè)置于硅基板上。本實(shí)施例采用LCOS微型顯示成像器310作為反射型 偏振調(diào)制成像器300。圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例所述集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)900的截面圖。如圖 2所示，從反射型偏振調(diào)制成像器300穿過平面偏振分光器200到達(dá)可變焦透鏡系統(tǒng)100測 量出的投影過程380的光通過距離大致等于從成像傳感器400穿過平面偏振分光器200到 達(dá)可變焦透鏡系統(tǒng)100測量出的成像過程480的光通過距離。這種光學(xué)結(jié)構(gòu)提供了一種統(tǒng) 一方法，用于調(diào)整反射型偏振調(diào)制成像器300和成像傳感器400相對于外部物體910的光 學(xué)聚焦ο本實(shí)施例所述集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)900能夠同時實(shí)現(xiàn)投影和成像，可以 廣泛應(yīng)用于各種微型顯示投影系統(tǒng)尤其是單成像器微型顯示投影系統(tǒng)中。圖2所示實(shí)施例進(jìn)一步顯示如下可選特征為了去除來自于發(fā)光模塊500的準(zhǔn)直 源光510對成像傳感器400的干擾，在發(fā)光模塊500和平面偏振分光器200之間設(shè)置預(yù)偏振 器650，具有一主軸111。該預(yù)偏振器650的偏振方向也垂直于平面偏振分光器200，該預(yù)偏 振器650可以為成像傳感器400對發(fā)往后置偏振器640的處于第二偏振態(tài)2的偏振光提供 額外的過濾作用，以使在雙模工作模式下，即投影和成像功能均打開且同時運(yùn)行的模式下， 改進(jìn)信噪比性能。圖3為本發(fā)明又一實(shí)施例所述集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)900的截面圖，在本實(shí)施例中，反射型偏振調(diào)制成像器300包括平行設(shè)置的四分之一波長減速板320及基于 MEMS的衍射空間光調(diào)制成像器325，與所述平面偏振分光器200呈45度的成像角，其中的 四分之一波長減速板320放置在衍射空間光調(diào)制成像器325與平面偏振分光器200之間。 該四分之一波長減速板320及基于MEMS的衍射空間光調(diào)制成像器325共同為成像器入射 光11提供與圖1所示LCOS微型顯示成像器310等效的反射型偏振調(diào)制。圖4為本發(fā)明再一實(shí)施例所述集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)900的截面圖，可選 但等效于反射型偏振調(diào)制成像器300及成像傳感器400相對于平面偏振分光器200的空間 結(jié)構(gòu)。反射型偏振調(diào)制成像器300及成像傳感器400仍然設(shè)置在平面偏振分光器200的兩 側(cè)，與圖1所示實(shí)施例的位置進(jìn)行交換，反射型偏振調(diào)制成像器300對處于第二偏振態(tài)2的 成像器入射光11進(jìn)行操作。且平面偏振分光器200對處于第一偏振態(tài)1的光進(jìn)行反射并 使處于第二偏振態(tài)2的光通過，而后置偏振器640則進(jìn)行相反的操作。在上述各圖中，為了達(dá)到所需的光學(xué)性能，集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)900中 除了平面偏振分光器200以外的四個關(guān)鍵部件，即可變焦透鏡系統(tǒng)100、反射型偏振調(diào)制成 像器300、具有后置偏振器640的成像傳感器400及發(fā)光模塊500，均可以與平面偏振分光 器200呈將近45度的傾角。圖5a為本發(fā)明上述實(shí)施例所述包含后置偏振器640的成像傳感器400 —種結(jié)構(gòu) 的截面圖，圖5b為本發(fā)明上述實(shí)施例所述包含后置偏振器640的成像傳感器400另一種結(jié) 構(gòu)的截面圖。其中的后置偏振器640均以薄膜結(jié)構(gòu)集成到成像傳感器400上，該成像傳感 器400包括彩色濾光元件415的平面陣列410 ；以及感光像素425的平面陣列420，與所述 彩色濾光元件415光學(xué)對齊，每個所述感光像素425包括至少一個光二極管426，位于半導(dǎo) 體基板409上。如圖5a所示，后置偏振器640粘附于彩色濾光元件415的平面陣列410上形成由 多個光學(xué)系數(shù)匹配層構(gòu)成的復(fù)合膜。如圖5b所示，采用薄膜結(jié)構(gòu)的后置偏振器640形成在 彩色濾光元件415的平面陣列410與感光像素425的平面陣列420之間，每個感光像素425 包含至少一個光二極管426。例如，這種薄膜結(jié)構(gòu)的后置偏振器640被構(gòu)造成為線柵偏振器 645，該線柵偏振器645由多延長反射金屬條464構(gòu)成。多延長反射金屬條464的線性陣列 被牢固地制造于成像傳感器硅基芯片409的背端器件堆疊的頂部。最后應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡 管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然 可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替 換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精 神和范圍。
權(quán)利要求
一種集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)(900)，其特征在于包括可變焦透鏡系統(tǒng)(100)，具有一主軸(110)；平面偏振分光器(200)，面對所述可變焦透鏡系統(tǒng)(100)，與所述主軸(110)呈45度的夾角；反射型偏振調(diào)制成像器(300)，設(shè)置于所述平面偏振分光器(200)的第一側(cè)，與所述平面偏振分光器(200)呈45度的反射角；成像傳感器(400)，設(shè)置于所述平面偏振分光器(200)的第二側(cè)，與所述平面偏振分光器(200)呈45度的成像角；發(fā)光模塊(500)，用于發(fā)出與所述平面偏振分光器(200)呈45度的入射角的準(zhǔn)直光；其中，從所述反射型偏振調(diào)制成像器(300)穿過平面偏振分光器(200)到達(dá)可變焦透鏡系統(tǒng)(100)測量出的投影過程(380)的光通過距離等于從成像傳感器(400)穿過平面偏振分光器(200)到達(dá)可變焦透鏡系統(tǒng)(100)測量出的成像過程(480)的光通過距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括后置偏振器(640)，設(shè)置于所 述平面偏振分光器(200)與所述成像傳感器(400)之間，該后置偏振器的偏振方向垂直于 所述平面偏振分光器(200)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括預(yù)偏振器(650)，設(shè)置于所述 平面偏振分光器(200)與所述發(fā)光模塊(500)之間，該預(yù)偏振器的偏振方向垂直于所述平 面偏振分光器(200)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述反射型偏振調(diào)制成像器(300)為硅基 液晶微型顯示成像器(310)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述反射型偏振調(diào)制成像器(300)包括 平行設(shè)置的四分之一波長減速板(320)及基于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS的衍射空間光調(diào)制成像器 (325)，與所述平面偏振分光器(200)呈45度的成像角，所述四分之一波長減速板(320)放 置在所述衍射空間光調(diào)制成像器(325)與所述平面偏振分光器(200)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述可變焦透鏡系統(tǒng)(100)進(jìn)一步包括光 圈調(diào)整器(120)，用于調(diào)整穿過可變焦透鏡系統(tǒng)(100)最終到達(dá)成像傳感器(400)的成像過 程的光感及從反射型偏振調(diào)制成像器(300)和發(fā)光模塊(500)穿過可變焦透鏡系統(tǒng)(100) 的投影過程的光感。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述后置偏振器(640)以薄膜結(jié)構(gòu)集成到 成像傳感器(400)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述成像傳感器(400)包括彩色濾光元件(415)的平面陣列(410)；感光像素(425)的平面陣列(420)，與所述彩色濾光元件(415)光學(xué)對齊，每個所述感 光像素(425)包括至少一個光二極管(426)，位于半導(dǎo)體基板(409)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述后置偏振器(640)粘附于所述彩色濾 光元件(415)的平面陣列(410)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述后置偏振器(640)為由延長反射金屬 條(646)制成的線柵偏振器(645)，設(shè)置在所述彩色濾光元件(415)的平面陣列(410)與所 述感光像素(425)的平面陣列(420)之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成微型顯示投影及成像系統(tǒng)(900)，其中包括可變焦透鏡系統(tǒng)(100)、平面偏振分光器(200)、反射型偏振調(diào)制成像器(300)、成像傳感器(400)及發(fā)光模塊(500)；其中，從所述反射型偏振調(diào)制成像器(300)穿過平面偏振分光器(200)到達(dá)可變焦透鏡系統(tǒng)(100)測量出的投影過程(380)的光通過距離等于從成像傳感器(400)穿過平面偏振分光器(200)到達(dá)可變焦透鏡系統(tǒng)(100)測量出的成像過程(480)的光通過距離。
文檔編號G03B17/54GK101943843SQ20101018240
公開日2011年1月12日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
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