CN100385287C - 离轴式光学投影仪 - Google Patents

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CN100385287C CNB031508448A CN03150844A CN100385287C CN 100385287 C CN100385287 C CN 100385287C CN B031508448 A CNB031508448 A CN B031508448A CN 03150844 A CN03150844 A CN 03150844A CN 100385287 C CN100385287 C CN 100385287C
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陈惠广
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本发明公开了一种离轴式光学投影仪,它包括照明模组、分色模组、合色模组、成像模组,其特征在于:所述合色模组包括三组导光棱镜组、一块X-cube合色棱镜和反射式图像芯片,每一导光棱镜组包括反射棱镜、透射棱镜、补偿棱镜,所述反射式图像芯片为数字光处理图像芯片,该数字光处理图像芯片置于反射棱镜与透射棱镜之间;三组导光棱镜组的出射面位于X-cube合色棱镜同一周面上的三个侧面,三组导光棱镜组出射的光线分别经X-cube的二向色性膜反射、透射到成像模组中。本发明采用了斜入射的方式,可以使用普通棱镜实现高性能的光学投影,整机的构件制造方便,成本较低。

Description

离轴式光学投影仪
技术领域
本发明涉及一种离轴式光学投影仪,特别是离轴式反射投影仪。
背景技术
目前用于光学投影仪的图象芯片主要有LCOS(Liquid Crystal On Silicon)和DLP(Digital Light Processing)两种(图1、2、9、10)。图3给出了一种常见的LCOS投影仪的光引擎结构图。它的合色系统采用了三块PBS棱镜和一块X-Cube。从灯源101中发出的光经过复眼102、103后,入射到PBS阵列104上,PBS阵列104把入射自然光转变为S光。灯源101,复眼102、103、PBS阵列104,透镜105和透镜108、123、128组成照明模组分别照明红、绿、蓝三色LCOS panel。偏振片109、124、129吸收入射光中的P波。二向色性滤光片106透红光反射蓝绿光。红光经过反射镜107、透镜108、偏振片109后入射到PBS棱镜110上。111是PBS膜。入射S波经过PBS膜的反射入射到LCOSpanel 112上。入射光经过LCOS panel后出射线偏振光的偏振态发生旋转。出射光中的P分量再次经过PBS膜111。偏振片113、114、115吸收入射光中的S波。X-Cube 116的117、118是二向色性膜。117透蓝绿反射红光。118透红绿反射蓝光。红光经过二向色性膜117的反射进入投影物镜119中。蓝绿光经过120、121的反射入射到二向色性滤光片122上。二向色性滤光片122反绿透蓝光。绿光经过透镜123、偏振片124后进入PBS棱镜125,被PBS膜126反射后入射到LCOS panel 127上。从LCOS panel 127出射的线偏振光的偏振态发生旋转,出射光中的P波透过PBS膜126,偏振片114进入X-Cube 116中,透过二向色性膜117、118进入投影物镜119中。蓝光透过二向色性滤光片122,穿过透镜128、偏振片129后进入PBS棱镜130中,经过PBS膜131的反射入射到LCOS panel 132上,从LCOS panel 132出射的光的偏振态发生旋转,出射光中的P分量穿过PBS膜131、偏振片115后进入X-Cube 116中,经过二向色性膜118的反射进入投影物镜119中。从X-Cube 116出射的红、绿、蓝三色光线经投影物镜成像到接收屏幕上。
这种合色方式基于光线在LCOS panel表面正入射的情况设计的(图1)。应用PBS棱镜把从LCOS panel表面出射的光线与入射到LCOS panel表面的光线分开。PBS膜的特性和光线的入射角有很大关系。由于照明光线不是平行光线,它有一定的会聚角(一般在玻璃中为±6°左右),这样光束的中心光线和边缘光线在PBS棱镜上的透过率(或反射率)有很大的差别。图4是光线在45°角入射时P波和S波的透过率,图5和图6分别是光线在39°和51°入射时的P波和S波的透过率。P波和S波的透过率随入射角的变化影响光能的利用率和投影图像的对比度,实际应用中PBS棱镜制造的工艺难度大,整体投影仪的成本较高,不利于推广应用。
DLP是美国德州仪器公司(TI)的专利产品,在DLP图象芯片表面有很多可以转动的微反射镜(图9、10),微反射镜反射入射光,每个微反射镜511是一个象素。通过控制每个微反射镜的转角控制反射光的方向,以此调节每个象素在接收屏幕上的亮暗。目前DLP投影仪利用单片DLP芯片,利用色轮分色,利用人眼的视觉暂留合色。分色用色轮为国外专利。
美国专利说明书US6588905B2披露了一种偏振分光装置和投影仪。该投影仪包括照明光源、二向色性的分色反射镜、二向色性的X型立方合色棱镜、投影透镜以及三组偏振分光镜。其中,每组偏振分光镜包括两个三角形棱镜(即第一棱镜和第二棱镜),在两个三角形棱镜之间还有偏振分光膜(PBS膜),该PBS膜将上述两个三角形棱镜联结在一起。从光源发出的光经过复眼和偏振分离阵列后,成为S偏振光,S偏振光经过二向色性的分色反射镜后成为绿、红、蓝三种单色光,三种单色光分别入射到第一棱镜的反射斜面上,反射斜面上的PBS膜将S偏振光反射到液晶光阀上,经液晶光阀调制后出射的光再次入射到第一棱镜上,其中P偏振光透过PBS膜和第二棱镜射入X型立方合色棱镜中,而S偏振光则被PBS膜反射。从X型立方合色棱镜出射的光经过投影透镜后成像。由于这种结构的投影仪使用的是LCOS图像芯片,该图象芯片依赖于偏振光,仍然存在PBS棱镜制造工艺难度大,整机成本高,不利于推广应用的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种制造工艺简单、成本较低的离轴式光学投影仪。
一种离轴式光学投影仪,包括照明模组、分色模组、合色模组、成像模组,其特征在于所述合色模组包括三组导光棱镜组、一块X-cube合色棱镜和反射式图像芯片,每一导光棱镜组包括反射棱镜、透射棱镜、补偿棱镜,所述反射式图像芯片为数字光处理图像芯片,该数字光处理图像芯片置于反射棱镜与透射棱镜之间;数字光处理图像芯片能将反射棱镜反射的光线反射到透射棱镜,透射棱镜及补偿棱镜能将数字光处理图像芯片反射的光线导入X-cube合色棱镜;三组导光棱镜组的出射面位于X-cube合色棱镜同一周面上的三个侧面,其中从一组导光棱镜组出射光线经X-cube合色棱镜透射进入成像模组,从另二组出射的光线分别由X-cube合色棱镜的二向色性膜反射到成像模组中。
分色模组的光束分成红、绿、蓝三原色,分布经反射棱镜反射到DLP图像芯片,再由DLP图像芯片反射到透镜及补偿棱镜组,通过x-cube的透射或反射而合色,最后通过成像模组成像。
由于采用了离轴式的工作模式,从而只要用最普通的反射棱镜及补偿棱镜就可以完成合色过程,整机的构件制造方便,成本较低。解决了现有技术中构件制造困难,成本高以及受国外专利限制的问题。
上述的离轴式光学投影仪,其特征在于反射棱镜的反射面能将入射的光束全部全反射到数字光处理图像芯片上;该数字光处理图像芯片能接收反射棱镜导入的全部光束;透射棱镜与补偿棱镜能将数字光处理图像芯片反射的光束全部透射到X-cube合色棱镜;X-cube合色棱镜能将三组入射的光束全部透射或反射到成像模组。
上述离轴式光学投影仪,其特征在于反射棱镜与透射棱镜为同一棱镜。这一结构较为简单,减少了部件的个数,降低了成本。
上述离轴式光学投影仪,其特征在于在各棱镜的工作面上加镀减反膜。
上述离轴式光学投影仪,其特征在于在反射棱镜前安装一偏振片,在X-cube合色棱镜与补偿棱镜之间安装一偏振片,以此保证反射式图像芯片的正常工作。
上述离轴式光学投影仪,其特征在于在偏振片与补偿棱镜之间安装一波片,用于调节偏振光的偏振态,提高投影图像的对比度。
上述离轴式光学投影仪,其特征在于在透射棱镜与数字光处理图像芯片之间安装一波片,用于提高投影图像的对比度。
上述离轴式光学投影仪,其特征在于所述照明模组由光源、复眼和透镜组成。即当采用DLP图像芯片时,不用加偏振片、波片,照明模组不用PBS阵列,直接就可以完成合色成像。
附图说明
图1为正入射式反射液晶图象芯片原理图;
图2为斜入射式反射液晶图象芯片原理图;
图3为现有的正入射式光学投影仪光路原理图;
图4为玻璃中45°角入射时PBS膜的透光特性曲线图;
图5为玻璃中39°角入射时PBS膜的透光特性曲线图;
图6为玻璃中61°角入射时PBS膜的透光特性曲线图;
图7为现有的照明、分色模组的结构示意图;
图8为本发明整体结构示意图;
图9为DLP图象芯片结构示意图;
图10为DLP图象芯片反射示意图;
图11为本发明实施例1合色棱镜组结构示意图;
图12为本发明实施例1合色棱镜组E侧向光路原理图;
图13为本发明实施例3合色棱镜组结构示意图;
图14为本发明实施例3合色棱镜组C侧向光路原理图;
图15为本发明实施例3合色棱镜组B侧向透射部分光路原理图;
图16为本发明实施例4合色棱镜组结构示意图;
图17为本发明实施例4合色棱镜组A侧向光路原理图;
图18为本发明实施例5合色棱镜组结构示意图。
具体实施方式
实施例1:
一种离轴式光学投影仪,包括照明模组、分色模组、合色模组、成像模组,其特征在于:所述合色模组包括三组导光棱镜组、一块X-cube合色棱镜和反射式图像芯片,每一导光棱镜组包括反射棱镜、透射棱镜、补偿棱镜,所述反射式图像芯片为数字光处理图像芯片,该数字光处理图像芯片置于反射棱镜与透射棱镜之间;数字光处理图像芯片能将反射棱镜反射的光线反射到透射棱镜,透射棱镜及补偿棱镜能将数字光处理图像芯片反射的光线导入X-cube合色棱镜;三组导光棱镜组的出射面位于X-cube合色棱镜同一周面上的三个侧面,其中从一组导光棱镜组出射光线经X-cube合色棱镜透射进入成像模组,从另二组出射的光线分别由X-cube合色棱镜的二向色性膜反射到成像模组中。
其中上述反射棱镜的反射面能将入射的光束全部全反射到数字光处理图像芯片上。该数字光处理图像芯片能接收反射棱镜导入的全部光束。透射棱镜与补偿棱镜能将数字光处理图像芯片反射的光束全部透射到X-cube合色棱镜。X-cube合色棱镜能将三组入射光束全部透射或反射到成像模组。这些决定了光能量的利用问题,保证所有的入射光束都进行合色、成像,没有光束能量损失。
反射棱镜与透射棱镜为同一棱镜。在各棱镜的工作面上加镀减反膜。
在X-cube合色棱镜中设置不同特性的二向色性膜,可以使用不同的红、绿、蓝三色入射排列,通过合色棱镜合色,通过成像模组成像。
本实施例中:X-cube合色棱镜中左下至右上的二向色性膜为反红透蓝绿膜30,左上至右下二向色性膜为反蓝透红绿膜31。
红光通过302反射棱镜反射到DLP图象芯片502,红光再经DLP图象芯片反射透过透射棱镜302,再经补偿棱镜303,最后经X-cube合色棱镜29的反红透蓝绿膜30反射进入成像模组成像。
绿光通过202反射棱镜反射到DLP图象芯片501,红光再经DLP图象芯片反射透过透射棱镜202,再经补偿棱镜203,最后经X-cube合色棱镜29的反红透蓝绿膜30和反蓝透红绿膜31透射进入成像模组成像;
蓝光通过402反射棱镜反射到DLP图象芯片503,蓝光再经DLP图象芯片反射透过透射棱镜402,再经补偿棱镜403,最后经X-cube合色棱镜29的反蓝透红绿膜31反射进入成像模组成像;
如果将X-cube合色棱镜中左下至右上的二向色性膜30设置为反绿透红蓝膜,左上至右下二向色性膜设置为反蓝透红绿膜31。红光由202反射棱镜入射到合色棱镜组中,蓝光由402反射棱镜入射到合色棱镜组中,绿光由302反射棱镜入射到合色棱镜组中。
在X-cube中的二向色性膜的其他的设置情况下,只要改变相应的入射光色,就可以达到合色成像的目的。
同时必须说明的是,使用DLP图象芯片时,照明模组部分的PBS阵列4不同。
本发明的实质发明点在于利用离轴式的原理,设计了合色棱镜组,而光束三原色的入射组合视X-cube二向色性膜的特性来定。
实施例2:
与实施例1不同的是,本实施例中,将图11中的反射棱镜302、透射棱镜302、补偿棱镜303绕X轴逆时针旋转90度;将反射棱镜402、透射棱镜402、补偿棱镜403绕X轴顺时针旋转90度;将反射棱镜202、透射棱镜202、补偿棱镜203绕Y轴顺时针旋转90度。本实施例中应用的图象芯片为DLP芯片。
图象芯片502、透射棱镜302、补偿棱镜303组合和图象芯片503、透射棱镜402、补偿棱镜403组合以及图象芯片501、透射棱镜202、补偿棱镜203组合按照二向色性膜成镜像关系。并非就如本发明所述的这种组合排列方式,其他的排列组合也应视为落入本发明的保护范围。
实施例3:
本实施例采用LCOS图象芯片201、301、401,在反射棱镜前安装一偏振片206、306、406,在x-cube与补偿棱镜之间安装偏振片205、305、405。首先由反射棱镜前的偏振片将光束变为线偏振光,透射棱镜后的偏振片起检偏作用。
实施例4:
与实施例3不同的是,将反射棱镜302、透射棱镜302、补偿棱镜303绕X轴逆时针旋转90度;将反射棱镜402、透射棱镜402、补偿棱镜403绕X轴顺时针旋转90度;将反射棱镜202、透射棱镜202、补偿棱镜203绕Y轴顺时针旋转90度。
实施例5:
与实施例3不同的是,在偏振片与补偿棱镜之间安装一波片204、304、404。
实施例6:
与实施例5不同的是,将反射棱镜302、透射棱镜302、补偿棱镜303绕X轴逆时针旋转90度;将反射棱镜402、透射棱镜402、补偿棱镜403绕X轴顺时针旋转90度;将反射棱镜202、透射棱镜202、补偿棱镜203绕Y轴顺时针旋转90度。
实施例7:
与实施例5不同的是,在透射棱镜与图像芯片之间安装一波片。
实施例8:
与实施例6不同的是,在透射棱镜与图象芯片之间安装一波片。

Claims (4)

1.一种离轴式光学投影仪,包括照明模组、分色模组、合色模组、成像模组,其特征在于:所述合色模组包括三组导光棱镜组、一块X-cube合色棱镜和反射式图像芯片,每一导光棱镜组包括反射棱镜、透射棱镜、补偿棱镜,所述反射式图像芯片为数字光处理图像芯片,该数字光处理图像芯片置于反射棱镜与透射棱镜之间;数字光处理图像芯片能将反射棱镜反射的光线反射到透射棱镜,透射棱镜及补偿棱镜能将数字光处理图像芯片反射的光线导入X-cube合色棱镜;三组导光棱镜组的出射面位于X-cube合色棱镜同一周面上的三个侧面,其中从一组导光棱镜组出射光线经X-cube合色棱镜透射进入成像模组,从另二组出射的光线分别由X-cube合色棱镜的二向色性膜反射到成像模组中。
2.如权利要求1所述的离轴式光学投影仪,其特征在于反射棱镜的反射面能将入射的光束全部全反射到数字光处理图像芯片上;该数字光处理图像芯片能接收反射棱镜导入的全部光束;透射棱镜与补偿棱镜能将数字光处理图像芯片反射的光束全部透射到X-cube合色棱镜;X-cube合色棱镜能将三组入射的光束全部透射或反射到成像模组。
3.如权利要求1所述的离轴式光学投影仪,其特征在于反射棱镜与透射棱镜为同一棱镜。
4.如权利要求1所述的离轴式光学投影仪,其特征在于在各棱镜的工作面上加镀减反膜。
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