CN102147532A

CN102147532A - 一种投影仪用光学引擎

Info

Publication number: CN102147532A
Application number: CN 201110074469
Authority: CN
Inventors: 祁康成; 芮大为; 林祖伦; 王小菊; 曹贵川; 陈文彬
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-03-26
Filing date: 2011-03-26
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2031-03-26
Also published as: CN102147532B

Abstract

一种投影仪用光学引擎，属于投影显示技术领域。RGB三基色激光光源产生的激光分别经三个光束耦合器输出三组阵列光；匀光系统包括三个准直透镜阵列，每个准直透镜阵列由光学长度为1/4节距的渐变折射率透镜单元组成；三组阵列光分别经三个准直透镜阵列输出三组能量分布均匀的平行光，再经合光及调制系统后输入到投影镜头。本发明中匀光系统采用单级渐变折射率透镜单元组成的准直透镜阵列，可同时实现匀光、整形与准直，其出射光斑能量分布均匀，可实现较高的光能利用率；同时具有结构简单的特点，有利于减小光学引擎体积，实现整机微型化。合光系统可采用沃拉斯顿棱镜，基于晶体光学和偏振光学的相关原理对合光结构进行创新，可进一步提高光能利用率。

Description

一种投影仪用光学引擎

技术领域

本发明属于投影显示技术领域，涉及投影仪用光学引擎，尤其是基于激光光源的投影仪用光学引擎。

背景技术

通常，投影仪的光学引擎包括光源、均光系统、合光系统、调制系统以及投影镜头。其中光源和均光系统是决定光学引擎光能利用率的主要因素，而匀光系统是决定光学引擎体积大小的主要因素。目前，投影仪光学引擎按照空间调制技术的不同主要分为数字光处理(Digital Light Process，DLP)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)、液晶光阀(Liquid Crystal Light Valve，LCLV)三类。光源一般采用超高压汞灯(Ultra High Performance，UHP)、金属卤化物灯(Metal Halide Lamp，MHP)或发光二极管(Light Emission Diode，LED)，其匀光结构是方棒系统或复眼透镜系统。

1.光源

对于UHP灯或MHP灯，其白光光源位于抛物反光碗的焦点上，反射光呈近准直光束，再经匀光系统实现匀光照明。UHP发射光谱除可见光外，还有一定成分的紫外和红外光，需增加滤光片，成本和体积相应增加。特别对于DLP和LCoS结构，需要分光系统将白光分解为三原色，因此需设置色轮或分色镜等组件，这也会增加成本和系统尺寸，同时降低了系统色域。随着光学元件的增加，损耗也在增加，最终限制了系统的出光效率。

对于三基色LED光源，其色域较好，且不需要分色系统，集成度提高，但是仍需要经反光碗、聚光透镜对LED朗伯源进行聚光，再经匀光系统进行重叠照明和光斑整形。其出射光斑的匀光性和形状仍难以精确控制，光能利用率仍较低。

2.匀光系统

方棒系统利用光线在方棒内的多次反射，形成光源虚像，在出射面叠加形成特定形状光斑。由于方棒出射端需额外引入照明透镜组以实现匀光性，因此整体尺寸较大，不利于微型集成。

复眼照明系统能够将光源发出的圆形光斑整形为矩形光斑。同时由于小透镜单元在照明面的重叠照明，一定程度上提高了系统的照明均匀性。但是复眼系统前级必须由抛物型反光碗等聚光组件对光源进行聚光，系统整体尺寸较大。

因此，要提高投影仪的光能利用率，实现微型化，就必须改进光学引擎的结构。

发明内容

为了克服现有投影仪光学结构复杂、光能损失大、光斑整形匀光效果不佳等不足之处，本发明提供一种投影仪用光学引擎。该光学引擎采用三基色的激光光源和由渐变折射率的准直透镜阵列构成的匀光系统，具有更小的体积和更高的光能利用率。

本发明技术方案如下：

一种投影仪用光学引擎，包括光源、光束耦合器、匀光系统、合光系统、调制系统和投影镜头。所述光源为RGB三基色激光光源，所述RGB三基色激光光源产生的三基色激光分别经三个光束耦合器输出三组阵列光束；所述匀光系统包括三个准直透镜阵列，每个准直透镜阵列由相同的、光学长度为四分之一节距的渐变折射率透镜单元组成；三组阵列光束分别经三个准直透镜阵列输出三组能量分布均匀的平行光，其中阵列光束的每个单元光束具有一定的发散角，以保证每个单元光束在对应渐变折射率透镜单元中扩束后的截面面积略大于该渐变折射率透镜单元的截面面积。

三组能量分布均匀的平行光经合光系统合光后，再经调制系统调制成光学图像信息并输入到投影镜头；

或者，三组能量分布均匀的平行光分别经三个调制系统调制成光学图像信息，然后再经合光系统合光后输入到投影镜头。

上述技术方案中，1)所述光学长度为四分之一节距的渐变折射率透镜单元的截面形状为圆形或矩形，多个渐变折射率透镜单元密集堆积成准直透镜阵列；2)所述合光系统可以是沃拉斯顿棱镜(Wollaston Prim)、X棱镜或分色镜。

本发明根据光学引擎中光调制器的使用数量，分为单片式光调制器光学引擎(如图1所示)和三片式光调制器光学引擎(如图9所示)。

本发明与现有技术相比，主要区别及有益效果在于：

本发明匀光系统为由相同的渐变折射率透镜单元组成的准直透镜阵列，每个透镜单元通光面为与入射光斑形状对应(圆形或矩形)，长度为1/4节距，透镜单元之间紧密堆积成矩阵。该匀光系统可同时实现匀光、整形与准直的功能，其出射光斑为矩形且能量分布均匀，与调制系统直接进行光学耦合，可实现较高的光能利用率。通过改变匀光系统中透镜单元的数量，可以控制出射光斑的几何参数，且不改变光能量分布的均匀性；匀光系统为单级透镜系统，结构简单，有利于减小光学引擎体积，实现整机微型化。

合光系统采用沃拉斯顿棱镜，基于晶体光学和偏振光学的相关原理对合光结构进行创新，可进一步提高光能利用率。

附图说明

图1是本发明提供的单片式光调制器投影仪用光学引擎结构框图。

图2是本发明第一实施方式的光学引擎平面结构示意图。

图3是准直透镜阵列结构示意图，其中(a)是截面形状为圆形的渐变折射率透镜单元密集堆积成的准直透镜阵列；(b)是截面形状为矩形的渐变折射率透镜单元密集堆积成的准直透镜阵列。

图4是沃拉斯顿合光棱镜合光原理图。

图5是适用于本发明第一、第二和第三实施方式的带TIR棱镜的单片式DMD光调制器光学引擎平面结构示意图。

图6是适用于本发明第一、第二和第三实施方式的单片式LCoS光调制器光学引擎平面结构示意图。

图7是本发明第二实施方式的光学引擎平面结构示意图。

图8是本发明第三实施方式的光学引擎平面结构示意图。

图9是适用于本发明第四实施方式的三片式光调制器光学引擎的结构框图。

图10是适用于本发明第四实施方案的三片式LCD光调制器光学引擎平面结构示意图。

具体实施方式

第一实施方式：

本发明第一实施方式适用于单片式DMD或LCoS光调制器的光学引擎。如图2所示，该光学引擎包括：RGB三基色激光光源21、24、27，三个光束耦合器22、25、28，三个准直透镜阵列23、26、29，沃拉斯顿合光棱镜210，光调制器组件211、212、213，投影镜头214。

光源采用激光光源，提供RGB三原色。一种颜色使用至少一个激光器。光源的驱动方式采用时间混色法，即在一帧时间内RGB三个光源依次发射时序光脉冲，单色脉冲宽度依白平衡来划分，利用人眼的视觉暂留特性实现单片光调制器的全彩显示。

光束耦合器用来实现激光光源与准直透镜阵列的光学连接。单色激光器与透镜的连接方式必须保证一个激光束输出对应一个透镜单元，并且各激光束能量相同，光学特性一致。对于单光束输出的激光器，可以采用相同规格的光纤耦合器(Coupler)将激光器输出的总光束等分，再通过光纤准直器阵列耦合到透镜阵列，此时光束耦合结构由光纤耦合器和光纤准直器阵列组成。光束耦合器输出的阵列光束中的单束激光需具备一定的发散角，以保证每个单元光束在对应渐变折射率透镜单元中扩束后的截面面积略大于该渐变折射率透镜单元的截面面积。

三个准直透镜阵列构成的匀光系统是整个光路的核心器件，功能是将入射的阵列光束进行匀光、整形与准直，出射光斑为能量分布均匀的矩形光斑。准直透镜阵列由几何参数、光学特性、加工精度均相同的渐变折射率透镜组成。渐变折射率透镜(也称自聚焦透镜，Gradient-Index Lens，GRIN Lens)的折射率由光轴沿径向向外逐渐减小，呈二次分布。光在折射率逐渐降低的薄层中传输时，基于折射原理自动向中心偏转，因此光路呈正弦曲线。当光线由中心传输至方向平行于光轴时的光学长度称为1/4节距(Pitch，P)，即四分之一光学周期，因此光学长度为1/4P的渐变折射率透镜可出射平行光。根据入射光斑的形状切割单位透镜：若入射光斑为圆形，将每个透镜单元切割为圆柱，如图3(a)所示，圆柱间呈密集堆积状，以增大有效通光面积；若入射光斑为矩形，将每个透镜单元切割为四棱柱，如图3(b)所示。两个透光面垂直于光轴，镀增透膜。出射光的准直性可通过调整准直透镜阵列与光束耦合器之间的工作距离和耦合方式来保证。

合光系统将三束准直的矩形激光束在空间范围内合为一束，投射到光调制器的工作面。

合光系统可采用沃拉斯顿棱镜(Wollaston Prim)，其合光原理基于晶体光学的双折射效应。所述沃拉斯顿棱镜由光轴相互垂直两片楔形棱镜I和II以楔形面紧密接触而成；其中楔形棱镜I具有两个入射面，楔形棱镜II具有一个入射面和一个出射面；三个准直透镜阵列的三束输出光中：第一束输出光的偏振方向与楔形棱镜I的光轴平行，入射到楔形棱镜I的第一入射面；第二束输出光的偏振方向与楔形棱镜I的光轴垂直，入射到楔形棱镜I的第二入射面；第一、第二束输出光入射到楔形棱镜I后经沃拉斯顿棱镜双折射后在空间范围内合为一束；第三束输出光不限定偏振方向，入射到楔形棱镜II的入射面，经沃拉斯顿棱镜楔面全反射，其反射光与第一、第二束输出光经沃拉斯顿棱镜双折射后的合成光在空间范围内重合并从楔形棱镜II的出射面输出。

以钒酸钇(YVO₄)材料为例叙述其合光原理。双折射是指光入射到各向异性的晶体时，除特殊方向外，分解成两束振动方向相互垂直、传播速度不同、折射率不等的线偏振光，即沿不同方向传播速度相同的o光和沿不同方向传播速率不同的e光。同理，也可以将两束正交线偏振光合为一束。o光的振动方向垂直于o光主平面，e光的振动方向在e光的主平面内。入射光分别为R、G、B三束经整形、匀光的矩形准直光。三束入射光与沃拉斯顿棱镜入射端的对应关系是任意的。图4所示入射光的排列方式是其中的一种对应关系，即G光和B光为双折射晶体光学入射端，R光为几何光学入射端，W为合光出射端。楔形棱镜交界面镀有R光的高反膜实现R光的全反射。G光和B光均为线偏光，且偏振方向相互正交，R光的偏振方向不需要限定。G光偏振方向平行于纸面，B光偏振方向垂直于纸面。G光线和B光线位于斜面法线的同侧。I和II是光轴相互正交的两个楔形棱镜，I的光轴垂直于纸面，II的光轴平行于纸面。YVO₄作为正光性晶体，其e光折射率大于o光折射率。则经沃拉斯顿棱镜的双折射，G光完成从o光到e光的转换，即由光疏介质入射到光密介质，入射角大于折射角；B光完成从e光到o光的转换，即由光密介质入射到光疏介质，入射角小于折射角。G、B折射光线重合，R光在斜面完成全反射，反射光线与B、G折射光线重合，从而完成合光。

G光和B光为线偏光，其偏振的实现可由激光器输出来保证，也可以在准直器阵列和合光棱镜之间加入取偏装置设置偏振方向。棱镜的三个入射面应当垂直于光的入射方向，以确保出射光斑无畸变。

合光棱镜也可采用X棱镜、分色镜。

空间光调制器件(Spatial Light Modulator，SLM)是一种对光的空间分布进行调制的微显示器件。投影机的光调制器是指通过有选择的透射、反射或阻断光路来传递图像信息的器件。常用器件有数字微镜(Digital Micormirror Device，DMD)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)、液晶器件(Liquid Crystal Device，LCD)。

DMD作为DLP反射投影技术的核心器件，它利用分布密集的微型反光镜对光进行定向反射的控制。微镜单元由时序视频信号驱动，可实现10-12°翻转，在“开”和“关”的位置间进行往复切换，从而形成反射图像信号，灰度等级由驱动脉宽控制。DMD光路如图5所示，DMD61通过全反射棱镜(Total Internal Reflector，TIR)62接收照明光，并将生成的图像信号反射至投影镜头。也可如图2所示采用反光镜212进行简化，即通过反光镜将背景光投射到DMD211上，图像信息反射至投影镜头，非图像信息反射至光吸收器213。

LCoS是一种反射式液晶投影技术，采用以液晶光电效应为基础的反射式显示芯片，液晶单元为矩阵结构，由驱动信号将入射光选择性地反射并改变其偏振态，经偏振光束分离器(Polarization Beam Splitter，PBS)输出。光路如图6所示，71为LCoS，入射为S偏振光，经液晶反射，输出带有图像信息的P偏振光。单片式光路结构与单片式DMD相似，只需以PBS结构72取代TIR或反光镜结构。

LCD是一种透射式投影显示技术，它利用液晶的光电效应，通过电路控制液晶点阵单元的透射率，从而产生不同灰度层次及色彩的图像。最常见的结构为三片式，光路如图10所示，三基色光源经匀光、准直后，由LCD光调制器111、112、113过滤成单色图像信息，再经X棱镜合光直接传递给投影透镜。

本实施方式所述光学引擎由RGB三基色激光器、光束耦合结构、GRIN Lens矩阵准直器、沃拉斯顿合光棱镜、光调制器、投影镜头等组成。仅使用GRIN Lens矩阵这一级光学系统即实现对入射激光束阵列的准直、扩束和匀光，光学结构大大简化，有利于整机微型化，光能损失降到最低。采用沃拉斯顿棱镜对合光结构进行创新，进一步提高光能利用率。

第二实施方式：

本发明第二实施方式适用于单片式DMD或LCoS光调制器的光学引擎。第二实施方式是在第一实施方式的基础上改进而成。改进之处在于，以X棱镜代替沃拉斯顿棱镜实现合光。如图7所示，X棱镜81由四块直角棱镜的直角拼接而成。R光：ab面、cd面全透；G光：ab面全反射，cd面全透；B光：cd面全反射，ab面全透。合成光经bd面射出投射至光调制器。其特点是无需考虑激光偏振性，去掉了取偏装置及合光出射端整形装置，结构进一步简化。

第三实施方式：

本发明第三实施方式适用于单片式DMD或LCoS光调制器的光学引擎。第三实施方式是在第一实施方式和第二实施方式的基础上改进而成。改进之处在于，合光棱镜采用三组分色镜。如图8所示，91镜对B光全反射；92镜对B光全透，对G光全反；93镜对B光、G光全透，对R光全反。由93镜合光并投射至调制器。相比于X棱镜，反射镜结构简单，光路损失更少，光能利用率更高，而且制造成本更低。

第四实施方式：

本发明第四实施方式适用于三片式DMD、三片式LCoS、三片式LCD光学引擎。第四实施方式结构框图如图9所示。相对于第一至第三实施方式，其变化在于，三基色光源经渐变折射率透镜阵列匀光、准直后，先经空间光调制器组件调制成单色图像信息，再由合光镜(沃拉斯顿棱镜、X棱镜、分色镜等)合光并投射到投影镜头。例如三片式LCD光学引擎，如图10所示，在单色光源的阵列准直器和X合光棱镜之间加入液晶光阀111、112、113，透射单色图像信息，再经X棱镜合光直接传递给投影透镜。对于三片式DMD和LCoS结构，只需将光调制器组件位置进行替换即可实现本实施方案。

Claims

1.一种投影仪用光学引擎，包括光源、光束耦合器、匀光系统、合光系统、调制系统和投影镜头；其特征在于：所述光源为RGB三基色激光光源，所述RGB三基色激光光源产生的三基色激光分别经三个光束耦合器输出三组阵列光束；所述匀光系统包括三个准直透镜阵列，每个准直透镜阵列由相同的、光学长度为四分之一节距的渐变折射率透镜单元组成；三组阵列光束分别经三个准直透镜阵列输出三组能量分布均匀的平行光，其中阵列光束的每个单元光束具有一定的发散角，以保证每个单元光束在对应渐变折射率透镜单元中扩束后的截面面积略大于该渐变折射率透镜单元的截面面积；

2.根据权利要1所述的投影仪用光学引擎，其特征在于，所述光学长度为四分之一节距的渐变折射率透镜单元的截面形状为圆形或矩形，多个渐变折射率透镜单元密集堆积成准直透镜阵列。

3.根据权利要1所述的投影仪用光学引擎，其特征在于，所述合光系统是沃拉斯顿棱镜；所述沃拉斯顿棱镜由光轴相互垂直两片楔形棱镜I和II以楔形面紧密接触而成；其中楔形棱镜I具有两个入射面，楔形棱镜II具有一个入射面和一个出射面；三个准直透镜阵列的三束输出光中：第一束输出光的偏振方向与楔形棱镜I的光轴平行，入射到楔形棱镜I的第一入射面；第二束输出光的偏振方向与楔形棱镜I的光轴垂直，入射到楔形棱镜I的第二入射面；第一、第二束输出光入射到楔形棱镜I后经沃拉斯顿棱镜双折射后在空间范围内合为一束；第三束输出光不限定偏振方向，入射到楔形棱镜II的入射面，经沃拉斯顿棱镜楔面全反射，其反射光与第一、第二束输出光经沃拉斯顿棱镜双折射后的合成光在空间范围内重合并从楔形棱镜II的出射面输出。

4.根据权利要1所述的投影仪用光学引擎，其特征在于，所述合光系统是X棱镜。

5.根据权利要1所述的投影仪用光学引擎，其特征在于，所述合光系统是三块相互平行的分色镜。