CN100460930C - Lcos光学投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LCOS光学投影系统，包括照明光源，紫外和红外滤光片，两块透镜阵列，偏振转换系统，聚光透镜，分光平板，两块偏振片，波长选择偏转器，三块反射型成像部件，合光棱镜，以及可接收到合光棱镜汇聚的成像光线的投影镜头；还包括有两个反射型偏振器；一个位于与聚光透镜的光轴透过分光平板的直线上，处于波长选择偏转器和垂直于该直线的反射型成像部件之间，且与聚光透镜的光轴透过分光平板的直线有一定夹角；一个位于与聚光透镜的光轴经分光平板反射后的直线上，处于该直线上的偏振片远离分光平板的一侧，且与聚光透镜的光轴经分光平板反射后的直线有一定夹角；合光棱镜设置于可接收到反射型偏振器透射和反射来的光线的位置。

Description

LCOS光学投影系统

技术领域

本发明涉及一种光学成像系统，尤其是指一种背投影电视的LCOS光学投影系统。

技术背景

目前用于投影机及背投系统的光机结构，都是利用小面板成像，再用光照射面板通过镜头放大后呈现的。根据所用的成像面板数量，目前投影系统可大致分为透射式和反射式这两种系统。这两种系统的照明系统和分光系统大致一样，都包括灯源、紫外和红外滤光片、透镜阵列、偏振转换系统、聚光透镜。常用的透射式三片LCD系统如图1所示；常用的反射式三片LCD系统结构如图2所示，它是将白光通过分光系统分为三种基本颜色，一般为红、绿、蓝三色，将这三种光分别照射到成像面板上成像，通过控制面板驱动来来调节各面板上光的灰度层次，再利用合光系统将三个成像模块所成的像汇聚，并通过投影物镜投射到屏幕上。采用上述的三板式结构，虽然可以很大限度的利用光源所发的光，但其结构复杂，采用部件较多，体积大且比较重，从而制造成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够满足高清晰度要求，制造成本低，小型化的LCOS光学投影系统，以便克服现有透射式液晶投影系统存在的结构复杂、采用部件多、体积大且较重、制造成本高等缺点。

为实现这一目的，本发明所采取的技术方案是：

这种LCOS光学投影系统，包括照明光源，紫外和红外滤光片，两块透镜阵列，偏振转换系统，聚光透镜，分光平板，两块偏振片，波长选择偏转器，合光棱镜，三块反射型成像部件，以及可接收到合光棱镜汇聚的成像光线的投影物镜；照明光源，紫外和红外滤光片，两块透镜阵列和偏振转换系统，依次位于聚光透镜光轴的一侧，并垂直于聚光透镜光轴；分光平板位于聚光透镜另一侧的焦平面上，并与聚光透镜光轴呈45°夹角；一偏振片，波长选择偏转器和一反射型成像部件依次设置于分光平板远离透镜的一侧，且垂直位于聚光透镜的光轴透过分光平板的直线上，所述的波长选择偏转器贴在偏振片上；在所述的波长选择偏转器和垂直于聚光透镜的光轴透过分光平板直线的反射型成像部件之间，还设置有平行于聚光透镜光轴的另一反射型成像部件；在聚光透镜的光轴经分光平板反射后的直线上设置有垂直于该直线另一偏振片，在该偏振片远离分光平板的一侧设置有一与该偏振片相垂直的反射型成像部件；还包括有两个反射型偏振器；一个位于与聚光透镜的光轴透过分光平板的直线上，处于波长选择偏转器和垂直于该直线的反射型成像部件之间，且与聚光透镜的光轴透过分光平板的直线有一定夹角；另一个反射型偏振器位于与聚光透镜的光轴经分光平板反射后的直线上，处于该直线上的偏振片远离分光平板的一侧，且与聚光透镜的光轴经分光平板反射后的直线有一定夹角；合光棱镜设置于可接收到从反射型偏振器透射和反射来的光线的位置。光源与投影物镜设置在同一方向。反射型成像部件为硅基液晶反射型成像部件，即LCOS(Liquid Crystal On Silicon液晶覆硅)面板。

本发明还可采用的另一种技术方案是：这种LCOS光学投影系统，包括照明光源，紫外和红外滤光片，两块透镜阵列，偏振转换系统，聚光透镜，分光平板，两块偏振片，波长选择偏转器，合光棱镜，三块反射型成像部件，以及可接收到合光棱镜汇聚的成像光线的投影物镜；照明光源，紫外和红外滤光片，两块透镜阵列和偏振转换系统，依次位于聚光透镜光轴的一侧，并垂直于聚光透镜光轴；分光平板位于聚光透镜另一侧的焦平面上，并与聚光透镜光轴呈45°夹角；一偏振片垂直位于聚光透镜的光轴透过分光平板的直线上，在该偏振片远离分光平板的一侧设置有一反射型成像部件，该反射型成像部件平行于聚光透镜的光轴透过分光平板的直线；在聚光透镜的光轴经分光平板反射后的直线上，依次设置有垂直于该直线另一偏振片，波长选择偏转器和一反射型成像部件，所述的波长选择偏转器贴在偏振片上；在所述的波长选择偏转器和反射型成像部件之间，设置有另一平行于聚光透镜的光轴经分光平板反射后直线的反射型成像部件；还包括有两个反射型偏振器；一个位于与聚光透镜的光轴透过分光平板的直线上，处于该直线上的偏振片远离分光平板的一侧，且与聚光透镜的光轴透过分光平板的直线有一定夹角；另一个反射型偏振器位于聚光透镜的光轴经分光平板反射后的直线上，处于该直线上的偏振片和垂直于该直线的反射型成像部件之间，且与聚光透镜的光轴经分光平板反射后的直线有一定夹角；合光棱镜设置于可接收到从反射型偏振器透设和反射来的光线的位置。光源与投影物镜设置在同一方向。反射型成像部件为硅基液晶反射型成像部件，即LCOS(Liquid Crystal OnSilicon液晶覆硅)面板。

本发明的LCOS光学投影系统，由于采用了反射型偏振器替代传统的立方体PBS，且光源与投影物镜设置在同一方向，另外，反射型成像部件采用硅基液晶反射型成像部件。因此，所取得的有益效果主要体现在：

1.分辨率高，有更佳的对比度；

2.使用的光学元件少，减小了外形尺寸，减轻了重量，并降低了制造成本；

3.体积可以做小、做薄；

4.系统有更大的散热空间；

5.系统装配更容易。

附图说明

图1是已有的透射式液晶投影光路图；

图2是已有的反射式硅基液晶投影光路图；

图3是本发明的光学系统结构图；

图4是本发明的另一种实施方式的光学系统结构图；

图5为使光均匀化的结构示意图；

图6为偏振转换系统的结构示意图；

图7反射型偏振器的结构示意图；

图中：1.照明光源，2.紫外和红外滤光片，3.透镜阵列，4.偏振转换系统，5.聚光透镜，6.分光平板，7.偏振片，8.波长选择偏转器，9.合光棱镜，10.反射型成像部件，11.投影物镜，12.反射型偏振器。

具体实施方式

实施例1：如图3所示，包括照明光源1，紫外和红外滤光片2，两块透镜阵列3(分别标记为3a和3b)，偏振转换系统4，聚光透镜5，分光平板6，两块偏振片7(分别标记为7a和7b)，波长选择偏转器8，合光棱镜9，三块反射型成像部件10(分别标记为10a、10b和10c)，以及可接收到合光棱镜9汇聚的成像光线的投影物镜11；照明光源1，紫外和红外滤光片2，两块透镜阵列3和偏振转换系统4，依次位于聚光透镜5光轴的一侧，并垂直于聚光透镜5的光轴；分光平板6位于聚光透镜5另一侧的焦平面上，并与聚光透镜5的光轴呈45°夹角；一偏振片7a，波长选择偏转器8和一反射型成像部件10b依次设置于分光平板6远离聚光透镜5的一侧，且垂直位于聚光透镜5的光轴透过分光平板6的直线上，所述的波长选择偏转器8贴在偏振片7a上；在所述的波长选择偏转器8和垂直于聚光透镜的光轴透过分光平板直线的反射型成像部件10b之间，还设置有平行于聚光透镜光轴的另一反射型成像部件10a；在聚光透镜的光轴经分光平板6反射后的直线上，设置有垂直于该直线另一偏振片7b，在该偏振片7b远离分光平板6的一侧设置有一与该偏振片相垂直的反射型成像部件10c；还包括有两个反射型偏振器12(分别标记为12a和12b)；其中的12a位于与聚光透镜5的光轴透过分光平板6的直线上，处于波长选择偏转器8和垂直于该直线的反射型成像部件10b之间，且与聚光透镜5的光轴透过分光平板6的直线有一定夹角；另一个反射型偏振器12b位于与聚光透镜5的光轴经分光平板6反射后的直线上，处于该直线上的偏振片7b远离分光平板6的一侧，且与聚光透镜5的光轴经分光平板6反射后的直线有一定夹角；合光棱镜9设置于可接收到从两块反射型偏振器12透射和反射来的光线的位置。

在本实施例中，所述的反射型偏振器12与聚光透镜5的光轴经分光平板6反射或透射后的直线的夹角，最好为45°。反射型偏振器12，是一种可以通过调节光轴来实现反射S偏振光透过P偏振光，或者反射P偏振光透过S偏振光。光源1与投影物镜11设置在同一方向。反射型成像部件10为硅基液晶反射型成像部件，即LCOS(LiquidCrystal On Silicon液晶覆硅)面板。在分光平板6为镀有二向色膜的平板。合光棱镜9为镀有二向色膜的立方棱镜，在合光棱镜9出射光的侧面涂有墨。

从照明光源1发出的光为平行光，紫外红外滤光片2的作用是把对硅基液晶有害的红外线和紫外线滤掉。如图5所示，两块透镜阵列3每一块由一系列相同的小透镜组成，每个小透镜的光线重叠照在反射型成像部件10上，其作用是使光线在反射型成像部件10上均匀分布，提高最终投影出去的投影图像的均匀性。也可使用方棒替代透镜阵列3对光线进行均匀化。

偏振转换系统4的结构如图6所示，自然无偏振光线入射后，经过偏振分光膜时，P光透过，S光反射，反射的S光经过S光反射膜再次反射后通过二分之一波片被转换为P光后透过。如将二分之一波片放在上部则将获得S偏振光，图中为将白光转换为P光。偏振转换系统4把来自光源1的自然随机光光束转换为单一偏振光，本实施例中经过偏振转换系统4后，输出光为S偏振光。

反射型偏振器12的结构如图7所示，其作用是将平行网栅方向的偏振光反射，而将垂直平行栅格方向的偏振光透过。图中所示为透过P偏光，反射S偏光。

输入分色合色单元的白色S光，经分光平板6后分为两部分：白光通过分光平板6反射后为第一波段光，通过偏振片7b对偏振状态纠正后进入反射型偏振器12b，遇到反射型偏振器12b的偏振分光膜(偏振分光膜的作用是反射S光透射P光)后，被反射照亮第一波段光反射型成像部件10c，从第一波段光反射型成像部件10c反射回来的光变为P偏振光，透过反射型偏振镜12b，再射入合光棱镜9，通过分光膜后进入投影物镜11。

白光通过分光平板6透过后为第二波段光和第三波段光，并保持S偏振方向，经波长选择偏转器8后，又分为两部分：第二波段光偏振态旋转90度，其偏振方向变为P方向。第二波段光进入反射型偏振器12a后透射，照到第二波段光反射型成像部件10b。从第二波段光反射型成像部件10b反射回来的第二波段光的偏振方向变为S偏振态，再经过反射型偏振器12a反射到合光棱镜9，经过合光棱镜9反射后进入投影物镜11。第三波段光经过波长选择偏转器8后，偏振状态维持S态不变，经过反射型偏振器12a后被反射到第三波段光反射型成像部件10a。从第三波段光反射型成像部件10a反射回来的第三波段光变为P偏振态，直接透过反射型偏振器12a射入合光棱镜9，经过合光棱镜9反射后进入投影物镜11。这样，经过合光棱镜9后的第一波段、第二波段和第三波段光再次合成为白光通过投影物镜11成像。

如上所述，按照本实用新型实施例的投影装置光学系统使用了根据波长区域进行选择性偏振转化的波长选择偏转器，从而减少了用来进行光分离的分色镜，因此能够减少光学元件的数量和光学系统的长度L，从而减少光学引擎的厚度。整个光学系统的厚度几乎就决定于灯源1反光镜的大小和合光棱镜的大小，而与其他零件等无关。因此，整个光学系统的宽度可以做得很薄，以满足小型化的要求。

实施例2：如图4所示，本实施例中的LCOS光学投影系统的结构与实施例1有一部分相同，不同之处在于：一偏振片7a垂直位于聚光透镜5的光轴透过分光平板6的直线上，在该偏振片远离分光平板6的一侧设置有一反射型成像部件10a，该反射型成像部件平行于聚光透镜5的光轴透过分光平板6的直线；在聚光透镜5的光轴经分光平板6反射后的直线上，依次设置有垂直于该直线另一偏振片7b，波长选择偏转器8和一反射型成像部件10c，所述的波长选择偏转器8贴在偏振片7b上；在所述的波长选择偏转器8和反射型成像部件10c之间，设置有另一平行于聚光透镜5的光轴经分光平板6反射后直线的反射型成像部件10b；还包括有两个反射型偏振器12；其中的12a位于与聚光透镜5的光轴透过分光平板6的直线上，处于该直线上的偏振片7a远离分光平板6的一侧，且与聚光透镜5的光轴透过分光平板6的直线有一定夹角；另一个反射型偏振器12b位于聚光透镜5的光轴经分光平板6反射后的直线上，处于该直线上的偏振片7b和垂直于该直线的反射型成像部件10c之间，且与聚光透镜5的光轴经分光平板6反射后的直线有一定夹角；合光棱镜9设置于可接收到从反射型偏振器12透设和反射来的光线的位置。光源1与投影物镜11设置在同一方向。

白光通过分光平板6透过后为第一波段光，通过偏振片7a对偏振状态纠正后进入反射型偏振器12a，遇到反射型偏振镜12a的偏振分光膜(偏振分光膜的作用是反射S光透射P光)后，被反射照亮第一波段光反射型成像部件10a。从第一波段光反射型成像部件10a反射回来的光变为P偏振光，透过反射型偏振镜12a，再射入合光棱镜9，通过分光膜后进入投影物镜11。

白光通过分光平板6反射后为第二波段光和第三波段光，并保持S偏振方向，经波长选择偏转器8后，又分为两部分：第二波段光偏振态旋转90度，其偏振方向变为P方向。第二波段光进入反射型偏振器12b后透射，照到第二波段光反射型成像部件10c。从第二波段光反射型成像部件10c反射回来的第二波段光的偏振方向变为S偏振态，再经过反射型偏振镜12b反射到合光棱镜9，经过合光棱镜9反射后进入投影物镜11。第三波段光经过波长选择偏转器8后，偏振状态维持S态不变，经过反射型偏振器12b后被反射到第三波段光反射型成像部件10b。从第三波段光反射型成像部件10b反射回来的第三波段光变为P偏振态，直接透过反射型偏振器12b射入合光棱镜9，经过分光棱镜9反射后进入投影物镜11。这样，经过合光棱镜9后的第一波段、第二波段和第三波段光再次合成为白光通过投影物镜11成像。

Claims (2)

1.一种LCOS光学投影系统，包括照明光源，紫外和红外滤光片，两块透镜阵列，偏振转换系统，聚光透镜，分光平板，两块偏振片，波长选择偏转器，三块反射型成像部件，合光棱镜，以及可接收到合光棱镜汇聚的成像光线的投影镜头；上面所述的照明光源，紫外和红外滤光片，两块透镜阵列和偏振转换系统，依次位于上述聚光透镜光轴的一侧，并垂直于上述聚光透镜光轴；上述分光平板位于上述聚光透镜另一侧的焦平面上，并与上述聚光透镜光轴呈45°夹角；上述的一偏振片，波长选择偏转器和一反射型成像部件依次设置于上述分光平板远离透镜的一侧，且垂直位于上述聚光透镜的光轴透过分光平板的直线上，所述的波长选择偏转器贴在偏振片上；在所述的波长选择偏转器和垂直于上述聚光透镜的光轴透过上述分光平板直线的反射型成像部件之间，还设置有平行于上述聚光透镜光轴的另一反射型成像部件；在上述聚光透镜的光轴经上述分光平板反射后的直线上设置有垂直于该直线另一偏振片，在该偏振片远离上述分光平板的一侧设置有一与该偏振片相垂直的反射型成像部件；其特征在于：还包括有两个反射型偏振器；一个位于与上述聚光透镜的光轴透过上述分光平板的直线上，处于上述波长选择偏转器和垂直于该直线的反射型成像部件之间，且与上述聚光透镜的光轴透过上述分光平板的直线有一定夹角；另一个反射型偏振器位于与上述聚光透镜的光轴经上述分光平板反射后的直线上，处于该直线上的偏振片远离上述分光平板的一侧，且与上述聚光透镜的光轴经上述分光平板反射后的直线有一定夹角；上述合光棱镜设置于可接收到从反射型偏振器透射和反射来的光线的位置。

2.一种LCOS光学投影系统，包括照明光源，紫外和红外滤光片，两块透镜阵列，偏振转换系统，聚光透镜，分光平板，两块偏振片，波长选择偏转器，三块反射型成像部件，合光棱镜，以及可接收到合光棱镜汇聚的成像光线的投影镜头；上面所述的照明光源，紫外和红外滤光片，两块透镜阵列和偏振转换系统，依次位于上述聚光透镜光轴的一侧，并垂直于上述聚光透镜光轴；上述分光平板位于上述聚光透镜另一侧的焦平面上，并与上述聚光透镜光轴呈45°夹角；一偏振片垂直位于上述聚光透镜的光轴透过上述分光平板的直线上，在该偏振片远离上述分光平板的一侧设置有一反射型成像部件，该反射型成像部件平行于上述聚光透镜的光轴透过上述分光平板的直线；在上述聚光透镜的光轴经上述分光平板反射后的直线上，依次设置有垂直于该直线另一偏振片，波长选择偏转器和一反射型成像部件，所述的波长选择偏转器贴在偏振片上；在所述的波长选择偏转器和反射型成像部件之间，设置有另一平行于上述聚光透镜的光轴经上述分光平板反射后直线的反射型成像部件；其特征在于：还包括有两个反射型偏振器；一个位于与上述聚光透镜的光轴透过上述分光平板的直线上，处于该直线上的偏振片远离上述分光平板的一侧，且与上述聚光透镜的光轴透过上述分光平板的直线有一定夹角；另一个反射型偏振器位于上述聚光透镜的光轴经上述分光平板反射后的直线上，处于该直线上的偏振片和垂直于该直线的反射型成像部件之间，且与上述聚光透镜的光轴经上述分光平板反射后的直线有一定夹角；上述合光棱镜设置于可接收到从反射型偏振器透设和反射来的光线的位置。

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