三片式LCOS投影系统光引擎的成像对比度研究

【摘要】LCOS投影系统的核心部件是光引擎，而成像对比度则是光引擎系统的一个重要的性能参数。本文以被广泛使用的三片式LCOS光引擎为例，分析了ColorQuadTM结构光引擎的主要结构，研究了光引擎中分光合光部分各元器件的作用和工作过程，并以此为基础，根据影响系统对比度的主要因素，给出了系统成像对比度的经验公式，并对三片式LCOS光引擎系统的对比度进行了分析和估算。

【关键词】硅基液晶;光引擎;分光合光;对比度

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结构LCOS光引擎

光引擎也被称为投影机，是LCOS投影系统的核心部件。根据投影机内所使用的液晶片的数量，光引擎可被分为多种类型，其中应用较为广泛的是三片式ColorQuadTM结构的LCOS 光引擎[1]，其主要结构是由光源模组、分光合光和投影成像三部分组成。

图1 三片式ColorQuadTM 结构LCoS光引擎

注：（1）光源;（2）红外、紫外截止滤镜;（3）透镜阵列;（4）偏极转换镜;（5）会聚透镜;（6）平面反射镜;（7）分光合光系统;（8）投影镜头。

分光合光部分是光引擎系统的核心，它的作用是把从光源入射的白色照明光分为R、G、B三色光，使之分别进入各自的液晶片进行调制，最后再把它们重新合成为完整的彩色图像。最终所合成得彩色图像的对比度是投影系统的一个重要性能指标，它主要反映图像相邻两个部分的反差。对比度越高，观看的视觉效果就越好。以ColorQuadTM 结构的LCOS光引擎为例，影响整个系统对比度的主要因素是液晶片、ColorquadTM 晶体块和投影镜头[2]。

2.分光、合光的过程

LCOS光引擎显示的是彩色图像，然而从光源所发出的是白光，并不是彩色的。这就意味着必须先利用分光系统，把白色光分为R、G、B三基色，让它们分别射进各自的LCOS液晶片中进行调制，再利用合光系统，把调制后形成的R、G、B单色图像加以合成，经过从而形成彩色图像。

分光是照明光源进入液晶片调制之前的准备，合光则是调制后的三基色图像的合成，二者共同的作用效果决定了最终的图像质量。

在光引擎中对于分光系统的基本的要求是三基色光的分割必须准确，也就是光在进入各自的液晶板调制之前，必需充分经过滤波，尽量消除其它杂色光的影响。对合光系统的要求是经过调制后的光束必须能够准确地重新合成，尽量减少光束合成所带来的位置偏差。这里所介绍的三片式LCOS光引擎的分光、合光是通过ColorQuadTM结构来完成的（图2）。

ColorQuadTM是堆栈延迟膜专利技术（ColorSelect?）和偏振光束棱镜（PBS）块的组合。其中，G/M滤光片、G/M′滤光片、R/B滤光片、R/B′滤光片都是使用ColorSelect?制作的偏振滤光片。它能高效地让主带光的偏振态旋转90°，而保持它的补色带光的偏振态不变;同时，对某一特定的偏振态的光进行滤除，对另一偏振态不滤除[3]。具体而言：G/M滤光片、G/M′滤光片的主带光定为绿光，对P光滤光（图3）;R/B滤光片、R/B′滤光片的主带光是红光，对P光滤光（图4）。PBS棱镜是由两个等腰直角棱镜粘合而成，在其粘合的直角面镀有偏振分束膜，它可以反射S 偏振态的光，透射P偏振态的光。把偏振滤光片和PBS有效地结合，便可以实现分光和合光过程[2]。

图2 ColorQuadTM结构和工作原理

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图3 G/M、G/M′滤色曲线

图4 R/B、R/B′滤色曲线

3.LCOS光引擎成像对比度的分析

LCOS投影系统图像对比度的高低是与其基本结构密不可分的。以ColorQuadTM 结构的LCOS光引擎为例，根据分析可知，影响整个系统对比度的主要因素是液晶片、ColorquadTM 晶体块和投影镜头[2]。下面给出经验计算公式：

式中：代表整个系统的对比度，、、分别代表液晶片、ColorQuadTM晶体块、投影镜头的对比度。在这里，液晶片、投影镜头都已经选定，，。则可以根据ColorQuadTM 的结构以及相应的光谱透过率曲线（图3、图4、图5）近似估算出来。

图5 在F/2.5、SF2宽入射角度时，S光和P光的透过率

暗态时绿色通道的漏光量由给出，的典型值约为0.001，，所以，绿色通道的理论对比度为10000：1。但是由于材料的散射、液晶片的残留和反射等影响，绿色通道对比度只能达到1000：1。暗态时，红、蓝通道的漏光量由给出，理论值为5000：1。同样考虑到众多因素的影响，实际值只能达到500：1。又由于ColorQuadTM晶体块的对比度主要是由绿色通道的对比度决定的，因此，在实际情况下可以超过500：1。

把代入上面的经验公式，便可以得到三片式LCOS光引擎系统对比度的估算值可超过350：1。当然，随着液晶片、ColorQuadTM晶体块、投影镜头的对比度的提高，整个系统的对比度也会相应提高。

4.结论

三片式LCOS投影系统采用的是反射式投影方式，因此其光源光线利用率比较高。从这个方面来说，相比较于DLP和传统的LCD投影技术，LCOS投影成像系统具有更高的光学利用率，在图像对比度和色彩饱和度等方面有着更大的优势和更广阔的发展空间。

参考文献

[1]夏常荣.LCOS投影技术及其市场分析[J].国际光电与显示，2002（4）.

[2]刘浩.LCOS光引擎中分光合光部分的技术分析[J].现代显示，2008（9）.

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

[4]Manufacturing LCOS Microdisplays.SID，2000.

作者简介：刘浩（1980—），男，江苏泰州人，硕士，南京信息职业技术学院讲师，主要从事光学器件、光电显示技术方面的研究。