CN101231452B - 一种反射式光阀微型投影仪 - Google Patents

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Abstract

本发明属于投影显示装置技术领域，特别涉及一种反射式光阀微型投影仪，包括：照明光源，采用LED；颜色合成装置，将LED发出的光束合成为彩色或白色光束；反射光阀，作为空间光调制器，对颜色合成装置合成的光束进行调制，形成投影显示的图像源；偏光分束镜，将调制前和调制后偏振方向不同的光束进行分离；投影物镜，将颜色已经合成并经反射光阀调制的光束放大或投影到屏幕上；偏光分束镜位于投影物镜之前。首先，本微型投影仪提高了光能利用率及投影图像的亮度。其次，本微型投影仪的PBS不在反射光阀和投影物镜之间，也不位于反射光阀及场镜和投影物镜之间，从而可以减小PBS的体积，有利于微型投影仪的微型化。

Description

一种反射式光阀微型投影仪
技术领域
本发明属于投影显示装置技术领域，特别涉及一种用于将LED照明光经反射光阀调制后放大或投影到显示屏上的微型投影仪。
背景技术
目前，随着用户需求的不断提高，数码产品越来越向便携化方向发展，对于投影仪也不例外，人们对其微型化的要求越来越高。如图1所示为典型的反射光阀式投影仪，其包括照明光源105、照明光学系统104、偏光分束镜(即PBS)102、反射光阀103、投影物镜101。照明光源发出的光线经过照明光学系统成为偏振光输出到偏光分束镜，并反射到反射光阀，反射光阀按照需投影的图像分别对照明光进行各个像素地调制并反射及转换偏振态，再经过偏光分束镜后由投影物镜投射到显示屏上。在上述传统的投影仪中，通常将PBS放在投影物镜和反向光阀之间，用来调制前后偏振方向不同的两种光的分离。在这个位置上的PBS具有最小的体积，并且光在PBS和反射光阀之间的传播较短的距离和较少的界面。因此，易保持其偏振性。在微型投影仪的技术领域中，光能利用率是其性能的重要评价指标之一，投影物镜的孔径角越大，则能量利用率越高。在传统的微型投影仪中，PBS位于反射光阀和投影物镜之间，而PBS的工作视角对投影物镜的孔径角起到了决定性作用，如图1所示，θ为PBS的工作半视角，θ1为光学系统的半孔径角，则
θ1＝arcsin(nsinθ)
因此，对于发散角度大的照明光源，PBS的工作视角就降低了系统的光能利用率，从而影响了微型投影仪的性能。
目前，制作微型投影仪所用PBS常用的方法是薄膜偏光分束，如图2所示，其在两个胶合的玻璃棱镜的胶合面上形成具有偏振分光效应的多层膜，达到所需的偏振分光特性。此方法存在的缺点是，PBS对于入射光的入射角度敏感，PBS的工作视角受到限制，即只对以某个范围内的角度入射到分光面上的光可以达到所需的消光比，而对超出该入射角范围之外的入射光线消光比变差，会严重影响显示图像的对比度。因此，PBS的工作角度进一步制约了微型投影仪的光能利用率。
采用LD作为光源的微型投影仪中，由于LD发散角度小，经光学系统投射到反射光阀上的入射角容易控制到小于投影物镜的孔径角。此时，虽然PBS处于投影镜头和反射光阀之间，但仍可保持高的能量利用率。但是，LD存在温度特性差、线性度差、使用寿命短的缺点，影响了微型投影仪的性能。
与LD相比，LED不存在上述缺点。但采用LED作为光源的微型投影仪，因LED的发光角度大，其光学扩展量大，因此，投射到反射光阀上的光线入射角度范围大，如果要在投影屏幕上获得足够的亮度，需要提高系统的光能利用率，必须使系统具有较大的孔径角。因此，将PBS直接放在反射光阀前，系统的孔径角就受到PBS工作视角的限制。所以，采用LED为光源的微型投影仪能量利用率有待进一步提高，且目前的微型投影仪还存在体积大的缺点。
发明内容
本发明公开了一种反射式光阀微型投影仪，其解决了现有以LED为光源的微型投影仪中存在光能利用率有待提高和进一步微型化的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：一种反射式光阀微型投影仪，包括：
照明光源，采用LED；
颜色合成装置，将LED发出的光束合成为彩色或白色光束；
反射光阀，作为空间光调制器，对颜色合成装置合成的光束进行调制，形成投影显示的图像源；
偏光分束镜，将调制前和调制后偏振方向不同的光束进行分离；
投影物镜，将颜色已经合成并经反射光阀调制的光束放大或投影到屏幕上；
偏光分束镜位于投影物镜之前。
所述的微型投影仪，LED光源为多个单色LED或具有多个单色LED发光芯片的单个LED。
所述的微型投影仪，多个单色LED光源通过颜色合成装置合成为彩色或白色光束。
所述的微型投影仪，各个单色LED与颜色合成装置之间分别有一个混光装置，用于将各个LED发出的光在颜色合成之前均匀化。
所述的微型投影仪，投影物镜的孔径光阑位于偏光分束镜之前或之后。
所述的微型投影仪，投影物镜的孔径光阑位于投影物镜中靠近偏光分束镜一端的第一组镜片之后。
本发明的微型投影仪将偏光分束镜即PBS放在投影物镜之前，如图3所示，投影仪包括PBS(301)、投影物镜(302)、反射光阀(303)、照明光源(304)、照明光学系统(305)，光源在PBS上光线的入射最大半角度ω1取决于投影物镜的视场角ω
ω1＝arcsin(sinω/n)
首先，在本微型投影仪中，系统通常具有更小的视场角，因此，可以降低PBS的设计加工成本；同时，系统的孔径角不受PBS的限制，可以做得更大，从而提高了系统的光能利用率及投影屏幕上图像的亮度。
其次，将PBS放在投影物镜之前，还可以改变PBS对图像质量的影响。在传统的微型投影仪中，PBS位于投影物镜和反射光阀之间，PBS上的入射角是系统的孔径角，在PBS的工作视角之内，存在PBS消光比随入射角增大而降低的现象，这种效应直接使得图像的对比度下降，并且由于微型投影仪中每个视场位置具有基本相同的孔径角，因此，对比度下降对于每个视场具有基本相同的效应。
而本微型投影仪将PBS放在投影物镜之前，则PBS上的入射角是系统的视场角。在PBS工作视角之内，PBS消光比随入射角增大而降低的现象对于不同的视场具有不同的影响能力，对于靠近光轴的视场，视场角小，在PBS上的入射角度小，消光比基本不会下降；对于大视场，在PBS上的入射角大，消光比小，此时PBS影响不同视场的亮度。因此，从边缘视场到中心视场，PBS消光比对图像的影响逐渐减轻。
最后，本微型投影仪的PBS不在反射光阀和投影物镜之间，也不位于反射光阀及场镜和投影物镜之间，从而可以减小PBS的体积，有利于微型投影仪的微型化。
本发明另一个重要特征是将投影物镜中的孔径光阑放在投影光学系统中靠近PBS的位置，这样，有利于减小光学系统及PBS的尺寸，进一步促进微型投影仪的微型化。
附图说明
图1为传统微型投影仪的结构图。
图2为棱镜式薄膜偏光分束镜。
图3为本发明微型投影仪的原理图。
图4为本发明实施一的结构原理图。
图5为本发明实施二的结构原理图。
图6为本发明实施三的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图3所示，本发明的微型投影仪包括照明光源304、照明光学系统305、偏光分束镜即PBS301、投影物镜302、反射光阀303，PBS不在反射光阀和投影物镜之间，也不位于反射光阀及场镜和投影物镜之间，而是处于投影物镜之前，此时光源在PBS上光线的入射最大半角度ω1取决于投影物镜的视场角ω
ω1＝arcsin(sintω/n)
在本微型投影仪中，PBS放在投影物镜之前，系统具有更小的视场角。因此，可以降低PBS的设计加工成本；同时，系统的孔径角不受PBS的限制，可以做得更大，从而提高了系统的光能利用率及投影屏上图像的亮度。
实施例一，如图4所示，照明光源401采用多个单色LED，LED发出的光经照明光学系统402的混光筒4021，对每个LED分别进行混光处理，使光均匀化，后经二色镜4022合成为彩色或白色光束，然后经起偏器4023及照明透镜4024进入PBS403。经过PBS403反射入投影物镜404的第一镜片4041，孔径光阑406位于投影物镜404的第一个镜片4041之后，靠近PBS403。最后，投影物镜404与照明光学系统402一起将LED发出的光基本均匀的照射到反射光阀405上，反射光阀405的各个像素对照明光分别进行调制并变换入射光的偏振态后，再反射到投影物镜，后经过PBS投射到显示屏上。该实施中，垂直方向视场角为+/-7.5°，孔径角可以达到+/-27.5°，投影物镜的孔径角大于系统的视场角。LED的光能利用率为60％～70％。图中线A代表光线，以示意在镜头内的行进轨迹。
实施例二，如图5所示，照明光源501采用多个单色LED，LED发出的光经照明光学系统502的混光筒5021，对每个LED分别进行混光处理，使光均匀化，后经二色镜5022合成为彩色或白色光束，然后经起偏器5023及照明透镜5024进入PBS503。经过PBS503反射入投影物镜504的第一镜片5041，孔径光阑506位于投影物镜504的第一个镜片5041之前，靠近PBS503。最后，投影物镜504与照明光学系统502一起将LED发出的光基本均匀的照射到反射光阀505上，反射光阀505的各个像素对照明光分别进行调制并变换入射光的偏振态后，再反射到投影物镜，后经过PBS投射到显示屏上。图中线A代表光线，以示意在镜头内的行进轨迹。
实施例三，如图6所示，照明光源601采用多个单色LED，LED发出的光经照明光学系统602的混光筒6021，对每个LED分别进行混光处理，使光均匀化，后经二色镜6022合成为彩色或白色光束，然后经起偏器6023及照明透镜6024进入PBS603。经过PBS603反射入投影物镜604的第一镜片6041，孔径光阑606位于PBS603之前。最后，投影物镜604与照明光学系统602一起将LED发出的光基本均匀的照射到反射光阀605上，反射光阀605的各个像素对照明光分别进行调制并变换入射光的偏振态后，再反射到投影物镜，后经过PBS投射到显示屏上。图中线A代表光线，以示意在镜头内的行进轨迹。

Claims (6)

1.一种反射式光阀微型投影仪，包括：
照明光源，采用LED；
颜色合成装置，将LED发出的光束合成为彩色或白色光束；
反射光阀，作为空间光调制器，对颜色合成装置合成的光束进行调制，形成投影显示的图像源；
偏光分束镜，将调制前和调制后偏振方向不同的光束进行分离；
投影物镜，将颜色已经合成并经反射光阀调制的光束放大或投影到屏幕上；
其特征是，投影物镜处于偏光分束镜与反射光阀之间。
2.根据权利要求1所述的微型投影仪，其特征是，所述的LED光源为多个单色LED或具有多个单色LED发光芯片的单个LED。
3.根据权利要求2所述的微型投影仪，其特征是，所述的多个单色LED光源通过颜色合成装置合成为彩色或白色光束。
4.根据权利要求3所述的微型投影仪，其特征是，所述的各个单色LED与颜色合成装置之间分别有一个混光装置，用于将各个LED发出的光在颜色合成之前均匀化。
5.根据权利要求1所述的微型投影仪，其特征是，沿光束的传播方向，投影物镜的孔径光阑位于偏光分束镜之前或之后。
6.根据权利要求5所述的微型投影仪，其特征是，沿光束的传播方向，投影物镜的孔径光阑位于投影物镜中靠近偏光分束镜一端的第一组镜片之后。
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