CN101750861A - 一种微型投影光学引擎 - Google Patents

Abstract

一种微型投影光学引擎，包括照明装置，偏振分光器、单片微显示面板及投影透镜。其中，照明装置包括红光光源模组、蓝光光源模组、绿光光源模组、交叉形合色镜及透镜组。透镜组设置于交叉形合色镜的输出光路上。偏振分光器设置于照明装置的输出光路上。单片微显示面板设置于偏振分光器与照明装置的非相邻的一侧，对所接收到的偏振光进行调制，转换为与偏振光垂直的另一偏振光，并使另一偏振光携有图像信息。投影透镜接收并投射携有图像信息的另一偏振光。本发明通过透镜组提高光学引擎的效率，且，整个光学引擎仅涉及照明装置，一个偏振分光器、单片微显示面板以及投影透镜，光路设计简单，结构紧凑，光亮度均匀，尺寸小，生产成本较低。

Description

一种微型投影光学引擎

技术领域

本发明涉及投影显示技术，尤其涉及一种三基色的微型投影光学引擎。

背景技术

近年来，液晶投影技术已经广泛应用在电化教学、办公、商务以及广告娱乐等方面。而随着科技的发展以及人们生活水平的日益提高，液晶投影技术也朝着微型化、轻量化以及高画质方向发展。

中国发明专利申请公开说明书中公开号“CN1609703”名称为“发光二极管照明装置”公开了一种使用发光二极管照明装置的投影机，其包括一个红色发光二极管组件、一个绿色发光二极管组件以及一个蓝色发光二极管组件组成的多个发光二极管组件，多个单晶硅液晶光阀面板，多个偏振分束器，一个合光棱镜以及一个透镜组件。其中，多个单晶硅液晶光阀面板对应多个发光二极管组件，用于调变多个发光二极管组件产生的光束。多个偏振分束器对应多个单晶硅液晶光阀面板，用于分离对应的发光二极管组件产生并且入射对应的单晶硅液晶光阀面板的光束以及经由对应的单晶硅液晶光阀面板调变后反射出的光束。合光棱镜由多个偏振分束器所环绕，用于合并多个单晶硅液晶光阀面板调变后反射出的光束。透镜组件位于合光棱镜影像输出的光路上，用于接收合光棱镜输出的影像，进行色差的消除和成像的动作。该投影机的投影原理如下：发光二极管组件同时出射红色、绿色以及蓝色的光束，通过对应的偏振分束器照射到三片单晶硅液晶光阀面板上进行调变，之后，合光棱镜把三片单晶硅液晶光阀面板调变后的三基色影像光束加以合并形成彩色影像，合并后的彩色影像再通过透镜组件消除色差及成像，最后投影至投影屏幕上。这种结构的投影机，需要各个发光二极管组件同时发光，同时，需要三片面板，并结合三个偏振分束器，效率较低，且，结构复杂，所使用的光学元件较多，光路较长，尺寸较大，无法满足市场微型化、轻量化的需求。

发明内容

有鉴于此，须提供一种效率高，结构简单、紧凑，光路较短，尺寸较小的微型投影光学引擎，以满足市场的微型化、轻量化的需求。

一种微型投影光学引擎，包括照明装置，偏振分光器、单片微显示面板以及投影透镜。其中，照明装置包括红光光源模组、蓝光光源模组、绿光光源模组、交叉形合色镜以及透镜组。红光光源模组出射红光光束。蓝光光源模组出射蓝光光束。绿光光源模组出射绿光光束。交叉形合色镜设置于所述红光光源模组、蓝光光源模组以及绿光光源模组的输出光路的交汇处，用于合并所述红光光束、蓝光光束以及绿光光束为一束光。透镜组设置于所述交叉形合色镜的输出光路上。偏振分光器设置于所述照明装置的输出光路上。单片微显示面板设置于所述偏振分光器与照明装置的非相邻的一侧，用于对所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息。投影透镜用于接收并投射携有图像信息的另一偏振光。

本发明的微型投影光学引擎中，照明装置通过三基色的光源模组，交叉形合色镜以及透镜组，输出发散角小的均匀光，同时，通过透镜组直接对光源进行成像照明，得到方形的成像光斑，有效提高光学引擎的效率；此外，照明装置输出的光经偏振分光器后，提供给单片微显示面板，之后，单片微显示面板调制出图像光再次通过偏振分光器进入投影镜头，从投影镜头输出到外部屏幕，其光学系统设计过程仅涉及照明装置，一个偏振分光器、单片微显示面板以及投影透镜，不涉及其他光学器件，这种架构所使用的光学元件较少，结构简单、紧凑，均匀性好，光能利用率高，且，光路较短，尺寸较小，生产成本较低，满足市场微型化、轻量化的需求。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明第一实施方式的微型投影光学引擎的平面结构示意图；

图2为本发明第二实施方式的微型投影光学引擎的平面结构示意图；

图3为本发明第三实施方式的微型投影光学引擎的平面结构示意图；

图4为图3中照明装置输出的光斑效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1所示为本发明第一实施方式的微型投影光学引擎的平面结构示意图，其包括红光光源模组10、蓝光光源模组20、绿光光源模组30、交叉形合色镜40、透镜组50、偏振转换器60、偏振分光器70、单片微显示面板80以及投影透镜(图中未示出)。其中，红光光源模组10、蓝光光源模组20、绿光光源模组30、交叉形合色镜40、透镜组50以及偏振转换器60构成照明装置。

红光光源模组10包括红光半导体发光元件102，以及用于收集并整形所接收到的红光光束的第一整形镜组103。蓝光光源模组20包括蓝光半导体发光元件202，以及用于收集并整形所接收到的蓝光光束的第二整形镜组203。绿光光源模组30包括绿光半导体发光元件302，以及用于收集并整形所接收到的绿光光束的第三整形镜组303。

本发明实施方式中，红光半导体发光元件102、蓝光半导体发光元件202以及绿光半导体发光元件302均为发光二极管(Light Emitting Diode，LED)芯片，用于发出180°的光。且，LED芯片连接有控制器(图中未示出)，用于控制芯片的时序发光。各个芯片工作频率按液晶面板所需光照参数进行设定，以达到显示最好的颜色视觉效果。又，该LED芯片的数量可以为一个，也可以为以阵列方式排列的多个。采用多个LED芯片以阵列方式的排列，有利于提高整个照明装置的流明数量，进而增加投影光束的光亮度。此外，第一整形镜组103、第二整形镜组203以及第三整形镜组303均包括两个顺序排列的正透镜。本发明实施方式中，为两个弯月形的正透镜，其材质为玻璃，顺序排列于半导体发光元件102、202、303与交叉形合色镜40之间。

本发明其它实施方式中，也可以采用平凸透镜或双凸透镜组成整形透镜组，而正透镜的数量可以为一个，也可以为两个以上，这里不再赘述。

交叉形合色镜40设置于红光光源模组10、蓝光光源模组20以及绿光光源模组30的输出光路的交汇处，用于合并红光光束、蓝光光束以及绿光光束为一束光。本发明实施方式中，交叉形合色镜40为平板状交叉形合色镜，其包括配置成叉状的第一平板401，第二平板402以及第三平板403。且，第一平板401，第二平板402以及第三平板403表面均镀有薄膜(图中未标示)。红光光源模组10、蓝光光源模组20以及绿光光源模组30分别设置于交叉形合色镜40与透镜组50的非相邻的三个侧面上。详细说，第一整形镜组103设置于红光半导体发光元件102与交叉形合色镜40之间，收集红光光束并把红光光束会聚为适合交叉形合色镜40所需的大小。第二整形镜组203设置于蓝光半导体发光元件202与交叉形合色镜40之间，收集蓝光光束并把蓝光光束会聚为适合交叉形合色镜40所需的大小。第三整形镜组303设置于绿光半导体发光元件302与交叉形合色镜40之间，收集绿光光束并把绿光光束会聚为适合交叉形合色镜40所需的大小。因此，第一整形镜组103、第二整形镜组203以及第三整形镜组303中正透镜的数量可以根据交叉形合色镜40的尺寸来设计。通常来说，交叉形合色镜40的尺寸越小，其所需的入射光束的发散角也越小，从LED芯片发出的光束就需要经过更多的正透镜的会聚来逐步减小入射到交叉形合色镜40的发散角，以提高光能的利用率。

本发明其它实施方式中，交叉形合色镜40也可以采用四块平板组合成交叉形状，当然，交叉形合色镜40也可以使用合光棱镜来代替，而红光光源模组10、蓝光光源模组20以及绿光光源模组30则环绕于该合光棱镜，这里不再赘述。

透镜组50设置于交叉形合色镜40的输出光路上，分别对红光光源模组10、蓝光光源模组20以及绿光光源模组30进行成像照明，且，整形并均匀化所接收到的光。本发明实施方式中，透镜组50包括一个正透镜，对所接收到的光进行压缩，减小其发散角，提高光效，且，把原本投射到屏幕外的光束折射到屏幕上，进而避免了投影画面出现中部较亮、边缘较暗的不均匀现象；同时，该正透镜把光源成像在有限远，即单片微显示面板80附近，使成像光斑为方形，克服了现有的光学引擎中，光源的像只能在无限远(其所获得的光斑为圆形)的偏见，因此，本发明的光学引擎的效率远远高于现有的光学引擎。此外，透镜组50为球面透镜或者非球面透镜，即，正透镜可以为球面透镜，也可以为非球面透镜；采用非球面透镜的结构，有利于消除球差，提高出射光的一致性。

本发明其它实施方式中，透镜组50还可以包括两个或两个以上的透镜，而透镜组50为球面透镜、非球面透镜其中之一或者其组合。又，依照微型液晶光学引擎光路设计的需求，透镜组50中所选取的透镜并不限于本具体实施方式中的正透镜，其也可以为负透镜或者胶合透镜。即，透镜组50为正透镜、胶合透镜的组合，或者负透镜与胶合透镜的组合，或者正透镜、负透镜的组合，或者正透镜、负透镜、胶合透镜的组合等。

偏振转换器60设置于交叉形合色镜40与透镜组50之间，用于把所接收到的非偏振光转换为单一偏振状态的偏振光，即，偏振转换器60可以把入射的光全部转换为S偏振光或P偏振光，提高光效。因此，LED芯片所发出的180°的光经过各个整形镜组的整形以及交叉形合色镜40的合色后，输出单一偏振状态的光。本发明实施方式中，偏振转换器60的数量为一个，该偏振转换器60的结构可以为偏振片，也可以由数个连续结合在一起的棱镜组成。这种连续结合在一起的棱镜内部含有连续交接的数个斜面，斜面上含有偏振分光膜层以构成偏振分光面，斜面整体构成锯齿形状，且，部分棱镜的光入射面上设置有四分之一波片等。

本发明其它实施方式中，偏振转换器60还可以设置在透镜组50的输出光路上，因此，LED芯片所发出的180°的光经过整形镜组、交叉形合色镜40以及透镜组50后，输出发散角小于或等于-15°～+15°的单一偏振状态的光。此外，还可以包括三个或三个以上偏振转换器60，分别设置于红光光源模组10、蓝光光源模组20、绿光光源模组30与交叉形合色镜40之间(参阅图2)。当然，该偏振转换器60也可以省略。

偏振分光器70设置于照明装置的输出光路上。本发明实施方式中，偏振分光器70为棱镜式偏振分光器，由二个三角棱镜胶合成立方体形状，在其中间接触面上镀有偏振分光膜层，由该偏振分光膜层形成一个偏振分光面，该偏振分光面可以将非偏振光转换为偏振光并分离出S偏振光和P偏振光。当然，偏振分光器70也可以由其它棱镜胶合成其它形状，只要满足入射的非偏振光被转化为偏振光出射即可。

本发明其它实施方式中，该偏振分光器70也可以由平板式偏振分光器来代替(参阅图2)。

单片微显示面板80设置于偏振分光器70与照明装置的非相邻的一侧，用于对所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息。本实施方式中，单片微显示面板80为硅基液晶面板。当单片微显示面板80接收到的偏振光为S偏振光时，经过单片微显示面板80的调制后，将转换为携有图像信息的P偏振光，且将其反射回偏振分光器70上，由偏振分光器70将该P偏振光透射至投影透镜上。换句话说，投影透镜与单片微显示面板80相对平行设置于偏振分光器70的一侧，用于接收并投射携有图像信息的另一偏振光，即P偏振光。

本发明其它实施方式中，该单片微显示面板80所接收到的偏振光也可以为P偏振光，经过单片微显示面板80的调制后，转换为携有图像信息的S偏振光，且将其反射回偏振分光器70上，由偏振分光器70将该S偏振光反射至投影透镜上。换句话说，投影透镜与单片微显示面板80相邻设置于偏振分光器70的一侧，即，投影透镜与单片微显示面板80分别设置于偏振分光器70的相邻两侧面上。此时，投影透镜是用于接收并投射携有图像信息的S偏振光。

图2所示为本发明第二实施方式的微型投影光学引擎的平面结构示意图，该光学引擎与第一实施方式的光学引擎的结构基本相同，区别在于图2所示的照明装置中，红光半导体发光元件102’、蓝光半导体发光元件202’以及绿光半导体发光元件302’均包括三个LED芯片。

本发明其它实施方式中，LED芯片的数量可以为一个，两个，或者三个以上，这里不再赘述。

第一整形镜组103’、第二整形镜组203’以及第三整形镜组303’均包括反射式复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator，CPC)，其材质为塑料，外截面形状为椭圆形或者圆形。复合抛物面聚光器的中央部的光出射区域呈凸状曲面，周边侧反射区域呈曲面，而中央光入射区域则呈凹状曲面。因此，半导体发光元件发出的大角度入射光在周围侧反射区域发生全内反射后变成基本平行的光束出射，其发出的小角度入射光则经中央部折射会聚。

本发明其它实施方式中，复合抛物面聚光器的结构并不限于本发明具体实施方式中的结构，例如：其中央光入射区域也可以呈平面。此外，第一整形镜组103’、第二整形镜组203’以及第三整形镜组303’均还可以再包括至少一个透镜，即在每一个复合抛物面聚光器与交叉形合色镜40’之间均可以再设置至少一个透镜，以进一步对光束进行整形并减小出射光的发散角。

透镜组50’包括两个顺序排列的透镜，同样分别对红光光源模组10’、蓝光光源模组20’以及绿光光源模组30’进行成像照明，且，整形并均匀化所接收到的光。

本发明实施方式中，三个偏振转换器60’分别设置于红光光源模组10’、蓝光光源模组20’、绿光光源模组30’与交叉形合色镜40’之间。

本发明其它实施方式中，偏振转换器60’的数量也可以为一个，设置于透镜组50’的输出光路上，或者交叉形合色镜40’与透镜组50’之间(参阅图1)。当然，该偏振转换器60’的数量也可以为三个以上或者在照明装置中省略该偏振转换器60’。

本发明实施方式中的偏振分光器70’为平板式偏振分光器。该平板式偏振分光器是一块表面具有偏振分光膜层的平板状透明基体(如玻璃、塑胶等)，或者由经过工艺处理产生偏振分光效应的平板状晶体制作而成，这种结构的偏振分光器具有光接收角宽，体积小重量轻等优点，有利于光学引擎的微型化。

本发明其它实施方式中，偏振分光器70’也可以为棱镜式偏振分光器(参阅图1)，这里不再赘述。

图3所示为本发明第三实施方式的微型投影光学引擎的平面结构示意图，同时参阅图4，为图3中照明装置输出的光斑效果示意图。该光学引擎与第一实施方式的光学引擎的结构基本相同，区别在于图3所示的照明装置中，透镜组50”包括两个顺序排列的透镜501”、502”，同样分别对红光光源模组10”、蓝光光源模组20”以及绿光光源模组30”进行成像照明，且，整形并均匀化所接收到的光。其中，透镜501”为球面透镜或者非球面透镜，透镜502”为柱面透镜；采用柱面透镜的结构，有利于输出的光斑按单片微显示面板80”的长宽比例来充满整个面板。

参阅图4，光源模组发出的光经交叉形合色镜40”以及由球面透镜或非球面透镜501”后输出的光斑一般为小正方形a，经过柱面透镜502”后，其输出的光斑扩展为大正方形b，该大正方形b的边长与单片微显示面板80”的长度大致相等，而单片微显示面板80”长宽比通常为4∶3或16∶9，因此，通过柱面透镜502”后输出的光斑将充满整个单片微显示面板80”，与该单片微显示面板80”实现较好的匹配。

本发明其它实施方式中，柱面透镜可以设置在球面透镜或非球面透镜之前或者之后，而柱面透镜的数量可以为二个或二个以上，此外，球面透镜或者非球面透镜也可以与柱面透镜胶合再一起，组成胶合镜，当然，透镜组50”可以是单独的一种柱面透镜，也可以是柱面透镜与球面透镜、非球面透镜的组合，总之，只要满足照明装置输出的光斑能按单片微显示面板的长宽比例来充满整个面板即可。

因此，本发明的微型投影光学引擎中，照明装置通过三基色的光源模组，交叉形合色镜以及透镜组，输出发散角小的均匀光，同时，通过透镜组直接将光源成像于单片微显示面板附近，得到方形的成像光斑，有效提高光学引擎的效率；其次，通过设置偏振转换器，减少光能的损耗，提高光能的利用率。此外，照明装置输出的光经偏振分光器后，提供给单片微显示面板，之后，单片微显示面板调制出图像光再次通过偏振分光器进入投影镜头，从投影镜头输出到外部屏幕，其光学系统设计过程仅涉及照明装置，一个偏振分光器、单片微显示面板以及投影透镜，不涉及其他光学器件，所使用的光学元件较少，结构简单、紧凑，均匀性好，光能利用率高，且，光路较短，尺寸较小，生产成本较低，满足市场微型化、轻量化的需求。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，例如，红光半导体发光元件、蓝光半导体发光元件以及绿光半导体发光元件为一个或者以阵列方式排列的多个激光芯片，而第一整形镜组、第二整形镜组以及第三整形镜组均包括扩束透镜，用于将激光芯片所发出的激光光束扩束整形为适合所述交叉形合色镜所需的大小。单片微显示面板为透射式液晶面板。凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均包含本发明的保护范围内。

Claims (20)

1.一种微型投影光学引擎，其特征在于，包括：

照明装置，包括：

红光光源模组，其出射红光光束；

蓝光光源模组，其出射蓝光光束；

绿光光源模组，其出射绿光光束；

交叉形合色镜，设置于所述红光光源模组、蓝光光源模组以及绿光光源模组的输出光路的交汇处，用于合并所述红光光束、蓝光光束以及绿光光束为一束光；以及

透镜组，设置于所述交叉形合色镜的输出光路上；

偏振分光器，设置于所述照明装置的输出光路上；

单片微显示面板，设置于所述偏振分光器与照明装置的非相邻的一侧，用于对所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息；以及

投影透镜，用于接收并投射携有图像信息的另一偏振光。

2.根据权利要求1所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述透镜组分别对所述红光光源模组、蓝光光源模组以及绿光光源模组进行成像照明，且，整形并均匀化所接收到的光。

3.根据权利要求2所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述透镜组把所述红光光源模组、蓝光光源模组以及绿光光源模组成像于单片微显示面板附近。

4.根据权利要求1所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述透镜组还用于对所接收到的光进行压缩，减小其发散角。

5.根据权利要求1所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述透镜组包括一个或者多个顺序排列的透镜。

6.根据权利要求1所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述透镜组为球面透镜、非球面透镜、柱面透镜其中之一或其组合。

7.根据权利要求1所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述红光光源模组包括红光半导体发光元件以及用于收集并整形所接收到的红光光束的第一整形镜组；所述蓝光光源模组包括蓝光半导体发光元件以及用于收集并整形所接收到的蓝光光束的第二整形镜组；所述绿光光源模组包括绿光半导体发光元件以及用于收集并整形所接收到的绿光光束的第三整形镜组。

8.根据权利要求7所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述红光半导体发光元件、蓝光半导体发光元件以及绿光半导体发光元件为一个或者以阵列方式排列的多个发光二极管芯片。

9.根据权利要求8所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述第一整形镜组、第二整形镜组以及第三整形镜组均包括至少一个顺序排列的透镜。

10.根据权利要求8所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述第一整形镜组、第二整形镜组以及第三整形镜组均包括反射式复合抛物面聚光器。

11.根据权利要求10所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述反射式复合抛物面聚光器中央部的光出射区域呈凸状曲面，周边侧反射区域呈曲面，而中央光入射区域则呈凹状曲面。

12.根据权利要求10所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述第一整形镜组、第二整形镜组以及第三整形镜组均还包括至少一个透镜，分别设置于所述反射式复合抛物面聚光器与交叉形合色镜之间。

13.根据权利要求7所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述红光半导体发光元件、蓝光半导体发光元件以及绿光半导体发光元件为一个或者以阵列方式排列的多个激光芯片；所述第一整形镜组、第二整形镜组以及第三整形镜组均包括扩束透镜，用于将所述激光芯片所发出的激光光束扩束整形为适合所述交叉形合色镜所需的大小。

14.根据权利要求1所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述交叉形合色镜为平板状交叉形合色镜。

15.根据权利要求14所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述平板状交叉形合色镜包括配置成叉状的第一平板，第二平板以及第三平板，所述第一平板，第二平板以及第三平板表面均镀有薄膜；所述红光光源模组、蓝光光源模组以及绿光光源模组分别设置于所述平板状交叉形合色镜与透镜组的非相邻的三个侧面上。

16.根据权利要求1所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述交叉形合色镜为合光棱镜；所述红光光源模组、蓝光光源模组以及绿光光源模组环绕于所述合光棱镜。

17.根据权利要求1所述的微型投影光学引擎，其特征在于，还包括偏振转换器，设置于所述透镜组的输出光路上，或者所述交叉形合色镜与透镜组之间，用于把所接收到的非偏振光转换为单一偏振状态的偏振光。

18.根据权利要求1所述的微型投影光学引擎，其特征在于，还包括至少三个偏振转换器，分别设置于所述红光光源模组、蓝光光源模组、绿光光源模组与交叉形合色镜之间，用于把所接收到的非偏振光转换为单一偏振状态的偏振光。

19.根据权利要求1所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述偏振分光器为平板式偏振分光器或者棱镜式偏振分光器。

20.根据权利要求1所述的微型投影光学引擎，其特征在于，所述单片微显示面板为硅基液晶面板或者透射式液晶面板。

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