CN101930155B - 一种投影光学引擎 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到投影光源、投影光学系统和投影显示设备，尤其涉及到一种投影光学引擎。所述的光源为单颗RGB多芯片LED，单颗RGB多芯片LED的前端设置有一收集合色塑料镜片，于收集合色塑料镜片的前端设置有复眼透镜阵列，复眼透镜阵列将由出光部出来的离散光束细分为数十到数百个小光束，复眼透镜阵列的前端与不带CF膜的LCOS屏之间设置有准直镜，准直镜将每一小光束的光轴都改变到LCOS屏的中心，实现每一小光束逐个叠加到LCOS屏上，照明LCOS屏的白光光束光谱与LCOS屏反射光谱对应拟合。具有LED投影光源的寿命长，响应时间短，容易驱动，无辐射热量，光源光效高，节能环保的基本优点外，还具有提升光输出，亮度均匀性，色度均匀性，彩色重现率和改变色温的优点。

Description

一种投影光学引擎

技术领域

本发明涉及到投影光源、投影光学系统和投影显示设备，尤其涉及到一种不同波长LED阵列投影光源，用合色均光振形的投影光学引擎，以及使用该光学引擎的投影装置。

背景技术

随着社会的不断进步，科学技术也在不断前进。在视频投影机行业，之前这种前投影装置长期都是采用金卤灯作为投影光源；而近年以来已经开始采用LED作为投影光源。

此类投影机廉价实用，而且投影机可以做到更小，这种光学引擎可置于手机，得到市场欢迎。改用LED投影光源后，更具有寿命长，响应时间短，易于驱动，无辐射热量，光源光效高，节能环保的优点。

CF-LCOS技术特点是在单色LCOS芯片上，加上有红、绿、蓝滤色单元的CF膜，然后将该CF膜和LCOS的液晶成像单元严格对准。这样，原来LCOS面板上的一个物理像素就变成了对应的一个基色点，由3个相邻的R、G、B基色点组合成一个完整的显示像素。当白光照射进来的时候，由驱动电路控制，把图像对应的R、G、B点阵信息分别送到相应的物理显示像素上，并根据该像素的灰度等级，控制液晶分子旋转，对白光进行光阀开关控制，被控制的白光透过物理像素对应的彩色滤色片单元后，形成彩色的图像。CF-LCOS的光机原理：是白光LED发出来的光准直后照射到带CF膜的LCOS屏上，经带CF膜的LCOS屏反射，形成投影机的光源系统。

但LED投影光源具有以下几点不足之处：1、单芯片LED功率小，光输出小；需要采用多只拼接方式和多芯片LED，例如多芯片LED阵列方式来增大LED投影光源的光输出。2、单芯片LED发出的光波不能很好的配合于不带CF膜的LCOS屏的照明。3、如果采用RGB的多颗LED必须经合色棱镜混色并且加上各种光学构件来实现投影引擎的光输出。此类投影光学引擎的光效“瓶颈”在于各种光学构件的光率，一般要求用于投影的光学构件透过率高90％，不难以想象，如果用的光学构件越多，最终的光损越大，光学引擎的总体光率就越小，而且合色棱镜制造难度较大，制造成本较高，合色棱镜的光率较小，好的点不过85％。

基于上述的现有技术的不足之处，本发明人研制了本发明“一种投影光学引擎”。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足所要解决的技术问题是：提供一种单颗多波长多芯片LED投影光源经光学塑料元件合色和均光准直的投影光学引擎。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种投影光学引擎，包括光源，所述的光源为单颗RGB多芯片LED，单颗RGB多芯片LED的前端设置有一收集合色塑料镜片，于收集合色塑料镜片的前端设置有复眼透镜阵列，复眼透镜阵列将由出光部出来的离散光束细分为数十到数百个小光束，复眼透镜阵列的前端与不带CF膜的LCOS屏之间设置有准直镜，准直镜将每一小光束的光轴都改变到LCOS屏的中心，实现每一小光束逐个叠加到LCOS屏上，照明LCOS屏的白光光束光谱与LCOS屏反射光谱对应拟合，改善投影的亮度均匀性和色度均匀性，同时还进一步提高了光学引擎的光效实现所要求的光输出、彩色重现率和色温性能。

所述的收集合色塑料镜片的后端设有用于嵌置单颗RGB多芯片LED前端的凹嵌部，于凹嵌部的底侧设有与RGB光相对应的微透镜面，于收集合色塑料镜片的底部设有内凹的出光部，

所述的准直镜与不带CF膜的LCOS屏之间设有一PBS棱镜，准直镜出来的光束经PBS棱镜到达不带CF膜的LCOS屏上。

所述的单颗RGB多芯片LED由红色芯片、绿色芯片、蓝色芯片和绿色芯片共四个芯片以2×2阵列组成，其中阵列的逆时针次序为红色芯片、绿色芯片、蓝色芯片和绿色芯片。单颗LED各波长芯片，每一个LED芯片是单独直流电控制发光，每一个的芯片可单独发光。从而实现LED光学引擎照明。

所述的红色芯片波长范围为610nm＜λ＜650nm；绿色芯片波长范围为510nm＜λ＜560nm；蓝色芯片波长范围为430nm＜λ＜480nm；绿色芯片波长范围为510nm＜λ＜560nm。

所述单颗RGB多芯片LED涵盖了各类多芯片封装LED，例如各类型封装LED、大功率LED、中功率LED和小功率LED。

所述的复眼透镜阵列包括120个透镜单元。

所述收集合色塑料镜片的材料为PMMA，其折射率和阿贝数分别为：Nd＝1.4917±0.001；Vb＝57.4±0.5。

采用单颗RGB(红绿兰)多芯片LED混合成白光且重组光谱，使之与不带CF膜的LCOS屏的光谱时顺对应，同时设计了与之配合的投影光学引擎，使之光学引擎采用合色直接照射，光线在光学引擎上通过的面少，光损小，光学引擎的光率高，提升相关性能，并已达到投影装置的实用效果。

在本发明中，为获得所需的高光源光输出，与不带CF膜的LCOS屏时顺配合，采用单颗RGB(红绿兰)LED(多芯片封装器件)构成投影光源。

本发明具有以下特点：

一、在微小型投影机中减少光源体积，是非常重要的。采用单颗RGB(红绿兰)(多芯片封装器件)阵列LED构成投影光源，同样与不带CF膜的LCOS屏时顺配合，从而得到更高能量的光输出，更小的光学引擎结构。

二、实现三基色光能量收集合色和均光，达到我们需要光输出的目的。多芯片封装的LED都有一最大的特点，LED发光芯片是阵列的封装的。芯片的总体结构尺寸较大，为了解决这个LED的缺点，我们在设计中，LED发出的光经过塑料镜片把离散的三基色光能量收集成为有一定角度的光输出，同时在塑料镜片做上了与三基色光对应微透镜面，从而实现三基色光合色的目的；再经用复眼透镜合色和均光，从而达到我们所需的光输出。

三、实现主光线角度较小，采用了复眼透镜和准直镜的巧妙的配合。首先，经合色后的光输出，再经复眼透镜把光线的角度进一步变小，同时把光线变得更均匀，准直镜进一步把能量集中在我们的LCOS屏上，从而实现能量的利用率更高和在LCOS屏上能量更均匀。

本投影光学引擎可应用于各种投影装置，投影装置也具备上述优点。以本投影光学引擎作为核心部件，再加上电路和结构，即构成本发明文件中所指的投影装置。

本发明一种投影光学引擎的有益效果是：

这样的投影光源和投影引擎，除具有LED投影光源的寿命长，响应时间短，容易驱动，无辐射热量，光源光效高，节能环保的基本优点外，还具有提升光输出，亮度均匀性，色度均匀性，彩色重现率和改变色温的优点。

本发明的成像原理是：单颗RGB多芯片LED发出来的光，经合色准直照到LCOS屏上，RGB与LCOS的液晶成像单元，LED和LCOS驱动电路时序控制，从而形成投影机的光源系统。

与带CF膜的LCOS相比，本发明不带CF膜LCOS的成像光机原理的优点是：

1、成本比CF-LCOS低，因为CF-LCOS比LCOS多了一层CF膜，增加了制造成本。

2、LCOS屏的反射光效比带CF膜的LCOS屏高出好几倍，对于LED的光源投影机尤为重要。

3、不带CF膜LCOS的成像光机色彩还原性好，单颗RGB多芯片LED合色成为白光，使得色温更容易校正和控制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是收集合色塑料镜片的剖面结构示意图；

图3是复眼透镜的结构正视图；

图4是复眼透镜的结构俯视图；

图5是本发明的单颗RGB多芯片LED芯片阵列示意图。

附图标记说明：

1、单颗RGB多芯片LED    2、收集合色塑料镜片

3、复眼透镜            4、准直镜

5、PBS棱镜             6、不带CF膜的LCOS

具体实施方式

下面将结合实施例对本技术方案提供的一种投影光学引擎进行叙述。

本发明是这样实施的：

在图1至图5中，一种投影光源及其投影引擎，包括单颗RGB多芯片LED、收集合色塑料镜片、复眼透镜阵列、准直镜、PBS棱镜、成像器件LCOS屏；在单颗RGB多芯片LED中，投影光学引擎中作为光源，单颗RGB多芯片LED发出的三基色光为主，色光为辅的混合光束到达复眼透镜阵列，它将不同LED发出的离散光束细分为数十到数百个小光束，准直镜将每一小光束的光轴都改变到LCOS屏的中心，从而实现每一小光束逐个叠加到LCOS屏上，全部都叠加到同一位置和区域--LCOS屏，照明LCOS屏的白光光束光谱与LCOS屏反射光谱对应拟合，实现所要求的光输出，彩色重现率和色温等性能。其中复眼透镜阵列包括120个透镜单元。收集合色塑料镜片的后端设有用于嵌置单颗RGB多芯片LED前端的凹嵌部，于凹嵌部的底侧设有与RGB光相对应的微透镜面，于收集合色塑料镜片的底部设有内凹的出光部。于准直镜与不带CF膜的LCOS屏之间设有一PBS棱镜，准直镜出来的光束经PBS棱镜到达不带CF膜的LCOS屏上。单颗LED各波长芯片，每一个LED芯片是单独直流电控制发光，每一个的芯片可单独发光。从而实现LED光学引擎照明。

在本实施例中，如图5，单颗RGB多芯片LED由红色芯片、绿色芯片、蓝色芯片和绿色芯片共四个芯片以2×2阵列组成，其中阵列的逆时针次序为红色芯片、绿色芯片、蓝色芯片和绿色芯片，在图中的芯片1为红色芯片、芯片2为绿色芯片、芯片3为蓝色芯片、芯片4为绿色芯片。其中红色芯片波长范围为610nm＜λ＜650nm；绿色芯片波长范围为510nm＜λ＜560nm；蓝色芯片波长范围为430nm＜λ＜480nm；绿色芯片波长范围为510nm＜λ＜560nm。

在所述LED涵盖了各类多芯片封装LED，例如各类型封装LED、大功率LED、中功率LED和小功率LED。光学引擎，采用合色直接照射光学构件的光学引擎。准直和均光，采用复眼光学构件、准直镜和PBS棱镜组成光学引擎系统。

收集合色塑料镜片的材料为PMMA(HO1)，其折射率和阿贝数分别为：Nd＝1.4917±0.001；Vb＝57.4±0.5。

在实施例中的收集合色塑料镜片的参数是：

其中S1和S2为非球面。非球面方程为：

$z=\frac{y^2}{R(1+\sqrt{1-(1+K)y^2/R^2})}+A1y^1+A2y^2+A3y^3+A4y^4+A5y^5+A6y^6+A8y^8+A10y^{10}$

其中S1的非球面参数为：

C  0.35

K  -1

A4 0.00711652

A6 -2.635216E-4

其中S2的非球面参数为：

C   1/1.83

K   -2.125

S3非球面参数：

R   0

K   0

A1  -5.139824

A2  1.888776

A3  -0.282885

以上的各曲面的轮廓误差可在±100μm范围之内。

另外在本实施例中，收集合色塑料镜片的材料为：PMMA(HO1)。注塑成型零件不能含有杂质或条纹，其折射率和阿贝数分别为：Nd＝1.4917±0.001Vb＝57.4±0.5。

单颗RGB多芯片LED 1发出多色大角度的光束，经收集合色塑料镜片2的收集和合色，整形成为一定角度的混色光，光束经过复眼透镜3和准直镜4的配合达到均光，并且进一步合色和整直，从而实现我们的设计光学引擎系统的光输出的能量、均匀度和准直的要求。最后光束经PBS棱镜5后到达不带CF膜的LCOS 6上。这样的结构改善了投影亮度均匀性和色度均匀性，同时还进一步提高了光学引擎的光效。

以上所述，仅是本发明一种投影光学引擎的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种投影光学引擎，包括光源，其特征在于：所述的光源为单颗RGB多芯片LED，单颗RGB多芯片LED的前端设置有一收集合色塑料镜片，于收集合色塑料镜片的前端设置有复眼透镜阵列，复眼透镜阵列将由出光部出来的离散光束细分为数十到数百个小光束，复眼透镜阵列的前端与不带CF膜的LCOS屏之间设置有准直镜，准直镜将每一小光束的光轴都改变到LCOS屏的中心，实现每一小光束逐个叠加到LCOS屏上，照明LCOS屏的白光光束光谱与LCOS屏反射光谱对应拟合，改善投影的亮度均匀性和色度均匀性，同时还进一步提高了光学引擎的光效实现所要求的光输出、彩色重现率和色温性能；所述的收集合色塑料镜片的后端设有用于嵌置单颗RGB多芯片LED前端的凹嵌部，于凹嵌部的底侧设有与RGB光相对应的微透镜面，于收集合色塑料镜片的底部设有内凹的出光部；其中外侧面S1和微透镜面S2为非球面，非球面方程为：

$:z=\frac{y^2}{R(1+\sqrt{1-(1+K)y^2/R^2})}+A1y^1+{A2y}^2+{A3y}^3+{A4y}^4+{A5y}^5+{A6y}^6+{A8y}^8+{A10y}^{10}$

其中外侧面S1的非球面参数为：

C 0.35

K-1

A4 0.00711652

A6 -2.635216E-4

其中微透镜面S2的非球面参数为：

C 1/1.83

K -2.125

出光部S3非球面参数：

R 0

K  0

A1 -5.139824

A2 1.888776

A3 -0.282885

以上的各曲面的轮廓误差在±100μm范围之内。

2.根据权利要求1所述的一种投影光学引擎，其特征在于所述的准直镜与不带CF膜的LCOS屏之间设有一PBS棱镜，准直镜出来的光束经PBS棱镜到达不带CF膜的LCOS屏上。

3.根据权利要求1所述的一种投影光学引擎，其特征在于所述的单颗RGB多芯片LED由红色芯片、绿色芯片、蓝色芯片和绿色芯片共四个芯片以2×2阵列组成，其中阵列的逆时针次序为红色芯片、绿色芯片、蓝色芯片和绿色芯片。

4.根据权利要求3所述的一种投影光学引擎，其特征在于所述的红色芯片波长范围为610nm＜λ＜650nm；绿色芯片波长范围为510nm＜λ＜560nm；蓝色芯片波长范围为430nm＜λ＜480nm；绿色芯片波长范围为510nm＜λ＜560nm。

5.根据权利要求1所述的一种投影光学引擎，其特征在于所述单颗RGB多芯片LED包括封装LED、大功率LED、中功率LED和小功率LED。

6.根据权利要求1所述的一种投影光学引擎，其特征在于所述的复眼透镜阵列包括120个透镜单元。

7.根据权利要求1所述的一种投影光学引擎，其特征在于所述收集合色塑料镜片的材料为PMMA，其折射率和阿贝数分别为：Nd＝1.4917±0.001；Vb＝57.4±0.5。

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