三片式LCOS投影系統光引擎的成像對比度研究

【摘要】LCOS投影系統的核心部件是光引擎，而成像對比度則是光引擎系統的一個重要的性能參數。本文以被廣泛使用的三片式LCOS光引擎為例，分析了ColorQuadTM結構光引擎的主要結構，研究了光引擎中分光合光部分各元器件的作用和工作過程，并以此為基礎，根據影響系統對比度的主要因素，給出了系統成像對比度的經驗公式，并對三片式LCOS光引擎系統的對比度進行了分析和估算。

【關鍵詞】硅基液晶;光引擎;分光合光;對比度

Abstract：Light engine is the core technology of LCOS projection，and the image contrast is an important performance parameter of LCOS light engine. Three-chiped LCOS light engine is chosen as an example in this article. Main structure of light engine of ColorQuad structure is analyzed. Analysis and research on the device，principle and working process of the composition component in the light engine were made in detail in this article. On this basis，according to the main factors of influence to the image contrast，Empirical formula of contrast is introduced，and the image contrast of light engine in three-chiped LCOS is analyzed and estimated.

Keywords：LCOS;light engine;distribution and composition of light;image contrast

1.三片式ColorQuadTM結構LCOS光引擎

光引擎也被稱為投影機，是LCOS投影系統的核心部件。根據投影機內所使用的液晶片的數量，光引擎可被分為多種類型，其中應用較為廣泛的是三片式ColorQuadTM結構的LCOS 光引擎[1]，其主要結構是由光源模組、分光合光和投影成像三部分組成。

圖1 三片式ColorQuadTM 結構LCoS光引擎

注：（1）光源;（2）紅外、紫外截止濾鏡;（3）透鏡陣列;（4）偏極轉換鏡;（5）會聚透鏡;（6）平面反射鏡;（7）分光合光系統;（8）投影鏡頭。

分光合光部分是光引擎系統的核心，它的作用是把從光源入射的白色照明光分為R、G、B三色光，使之分別進入各自的液晶片進行調制，最后再把它們重新合成為完整的彩色圖像。最終所合成得彩色圖像的對比度是投影系統的一個重要性能指標，它主要反映圖像相鄰兩個部分的反差。對比度越高，觀看的視覺效果就越好。以ColorQuadTM 結構的LCOS光引擎為例，影響整個系統對比度的主要因素是液晶片、ColorquadTM 晶體塊和投影鏡頭[2]。

2.分光、合光的過程

LCOS光引擎顯示的是彩色圖像，然而從光源所發出的是白光，并不是彩色的。這就意味著必須先利用分光系統，把白色光分為R、G、B三基色，讓它們分別射進各自的LCOS液晶片中進行調制，再利用合光系統，把調制后形成的R、G、B單色圖像加以合成，經過從而形成彩色圖像。

分光是照明光源進入液晶片調制之前的準備，合光則是調制后的三基色圖像的合成，二者共同的作用效果決定了最終的圖像質量。

在光引擎中對于分光系統的基本的要求是三基色光的分割必須準確，也就是光在進入各自的液晶板調制之前，必需充分經過濾波，盡量消除其它雜色光的影響。對合光系統的要求是經過調制后的光束必須能夠準確地重新合成，盡量減少光束合成所帶來的位置偏差。這里所介紹的三片式LCOS光引擎的分光、合光是通過ColorQuadTM結構來完成的（圖2）。

ColorQuadTM是堆棧延遲膜專利技術（ColorSelect?）和偏振光束棱鏡（PBS）塊的組合。其中，G/M濾光片、G/M′濾光片、R/B濾光片、R/B′濾光片都是使用ColorSelect?制作的偏振濾光片。它能高效地讓主帶光的偏振態旋轉90°，而保持它的補色帶光的偏振態不變;同時，對某一特定的偏振態的光進行濾除，對另一偏振態不濾除[3]。具體而言：G/M濾光片、G/M′濾光片的主帶光定為綠光，對P光濾光（圖3）;R/B濾光片、R/B′濾光片的主帶光是紅光，對P光濾光（圖4）。PBS棱鏡是由兩個等腰直角棱鏡粘合而成，在其粘合的直角面鍍有偏振分束膜，它可以反射S 偏振態的光，透射P偏振態的光。把偏振濾光片和PBS有效地結合，便可以實現分光和合光過程[2]。

圖2 ColorQuadTM結構和工作原理

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圖3 G/M、G/M′濾色曲線

圖4 R/B、R/B′濾色曲線

3.LCOS光引擎成像對比度的分析

LCOS投影系統圖像對比度的高低是與其基本結構密不可分的。以ColorQuadTM 結構的LCOS光引擎為例，根據分析可知，影響整個系統對比度的主要因素是液晶片、ColorquadTM 晶體塊和投影鏡頭[2]。下面給出經驗計算公式：

式中：代表整個系統的對比度，、、分別代表液晶片、ColorQuadTM晶體塊、投影鏡頭的對比度。在這里，液晶片、投影鏡頭都已經選定，，。則可以根據ColorQuadTM 的結構以及相應的光譜透過率曲線（圖3、圖4、圖5）近似估算出來。

圖5 在F/2.5、SF2寬入射角度時，S光和P光的透過率

暗態時綠色通道的漏光量由給出，的典型值約為0.001，，所以，綠色通道的理論對比度為10000：1。但是由于材料的散射、液晶片的殘留和反射等影響，綠色通道對比度只能達到1000：1。暗態時，紅、藍通道的漏光量由給出，理論值為5000：1。同樣考慮到眾多因素的影響，實際值只能達到500：1。又由于ColorQuadTM晶體塊的對比度主要是由綠色通道的對比度決定的，因此，在實際情況下可以超過500：1。

把代入上面的經驗公式，便可以得到三片式LCOS光引擎系統對比度的估算值可超過350：1。當然，隨著液晶片、ColorQuadTM晶體塊、投影鏡頭的對比度的提高，整個系統的對比度也會相應提高。

4.結論

三片式LCOS投影系統采用的是反射式投影方式，因此其光源光線利用率比較高。從這個方面來說，相比較于DLP和傳統的LCD投影技術，LCOS投影成像系統具有更高的光學利用率，在圖像對比度和色彩飽和度等方面有著更大的優勢和更廣闊的發展空間。

參考文獻

[1]夏常榮.LCOS投影技術及其市場分析[J].國際光電與顯示，2002（4）.

[2]劉浩.LCOS光引擎中分光合光部分的技術分析[J].現代顯示，2008（9）.

[3]Terry Schmidt. Fundamentals of Projection Displays.SID Con-erence，june 3，2001.

[4]Manufacturing LCOS Microdisplays.SID，2000.

作者簡介：劉浩（1980—），男，江蘇泰州人，碩士，南京信息職業技術學院講師，主要從事光學器件、光電顯示技術方面的研究。