CN102231010A - 用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于投影显示技术领域，具体为一种用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统。其特征在于：照明光源与PBS棱镜之间配合设置双片面光源整形镜组，照明光源发出的光束通过双片面光源整形镜组整形后，照明光源每一点发出的正负90度的光线都均匀的照射在同一个圆形区域内，形成一个均匀分布的照明面，设置在该照明面上的微显示芯片上的图像经过投影成像物镜后投影成像在屏幕上。与现有技术相比，本发明利用双片整形透镜实现在微显示芯片平面上形成一个均匀的圆形照明光斑（均匀度达到90%以上），微显示芯片利用均匀圆形光斑的部分区域实现照明，其上的图像再通过投影成像系统投影显示到屏幕上以形成均匀高效的投影显示效果。

Description

用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统

技术领域

本发明属于投影显示技术领域，具体为一种用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统。

背景技术

随着LED和微显示芯片技术的发展，微型投影开始成为一种可能，研究发现，微型投影技术的出现并不是简单的在传统大投影系统的基础上等比例缩放就能够实现，而是需要针对专门的投影用平面封装LED和微显示芯片进行专门的设计才能得到好的结果。目前的光学投影系统，包括了有光源，反光碗，匀光棒，中继透镜组，合光系统，投影物镜甚至复眼等元件。

专利200720310464.8中提到了一种LCOS投影实现方案，从方案中可以发现，其中包含了反光碗，积分光棒，分色镜片，合色组件，整个系统相当复杂，且尺寸较大，无法实现简单性。

专利200620033580.5中提到了一种大面积光源合成技术，从方案可以发现，对于每一个LED光源，需要配合一组镜组，并且需要反射装置对光线进行导向，整个系统复杂，成本较高，装调困难。

专利200720196523.3中提到了一种微型投影机模块，整个系统需要用到三路LED光源，每一路都需要引入整形系统，合色系统，整个结构复杂，无法真正做到简并化，小型化。

发明内容

针对现有系统中存在的体积大、结构复杂的缺点，本发明的目的在于提供一种结构紧凑、加工制作简单、均匀性好、效率高的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统的技术方案。

所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，沿光线传播方向依次设照明光源、PBS棱镜、微显示芯片以及投影成像物镜，其特征在于：照明光源与PBS棱镜之间配合设置双片面光源整形镜组，照明光源发出的光束通过双片面光源整形镜组整形后，照明光源每一点发出的正负90度的光线都均匀的照射在同一个圆形区域内，形成一个均匀分布的照明面，设置在该照明面上的微显示芯片上的图像经过投影成像物镜后投影成像在屏幕上。

所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，其特征在于所述的照明光源与双片面光源整形镜组之间设置一个均光光棒，均光光棒出射端作为入射双片面光源整形镜组的发光面。

所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，其特征在于所述的双片面光源整形镜组与PBS棱镜之间配合设置光斑变换镜组，在微显示芯片上形成均匀的椭圆照明光斑。

所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，其特征在于所述的照明光源是平面封装的LED光源。

所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，其特征在于所述的照明光源是平面封装的LED光源，该平面封装的LED光源是点光源或者面光源。

所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，其特征在于所述的照明光源为平面封装的LED面光源，该面光源放置在系统的轴上或者离轴放置，其经双片面光源整形镜组整形后均能够在轴上形成均匀的照明区域。

所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，其特征在于所述的照明光源为平面封装的LED面光源，该面光源设置为多个，且放置在系统的不同离轴位置，经双片面光源整形镜组整形后在轴上分别形成均匀的照明区域并且合成均匀的照明区域。

与现有技术相比，本发明利用双片整形透镜实现在微显示芯片平面上形成一个均匀的圆形照明光斑（均匀度达到90%以上），微显示芯片利用均匀圆形光斑的部分区域实现照明，其上的图像再通过投影成像系统投影显示到屏幕上以形成均匀高效的投影显示效果；具有结构简单，尺寸紧凑，照明光斑均匀，照明角度小，集光效率高，并且可以单一系统通配不同发光尺寸的LED，能够使得较大区域内放置的任一LED在照明面上形成均匀一致的照明光斑；不仅可以适用于单颗单色光源，还适用于多颗多色光源，可以在不改变系统的前提下，做到通过改变LED来改变系统的性能，得到更亮，色彩更加丰富的投影显示效果。

附图说明

图1为宽尺寸面光源整形透镜原理图；

图2为基于双片面光源整形镜组的微型光引擎结构图；

图3为双片面光源整形镜组通配不同大小面光源示意图；

图4为双片面光源整形镜组通配轴上、离轴位置的面光源示意图；

图5为基于双片面光源整形镜组及光斑变换镜组的微型光引擎结构图；

图6为光斑变换镜组工作原理图；

图7为基于双片面光源整形镜组及匀光光棒的微型光引擎结构图；

图8为基于双片面光源整形镜组、匀光光棒及光斑变换镜组的微型光引擎结构图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明：

本发明利用经典的柯勒照明原理，针对平面封装的LED面光源，利用双片面光源整形镜组实现在微显示芯片平面上形成一个均匀的圆形照明光斑（均匀度达到90%以上），微显示芯片利用均匀圆形光斑的部分区域实现照明，其上的图像再通过投影成像物镜投影显示到屏幕上以形成均匀高效的投影显示效果；圆形区域的均匀性和平面光源的大小无关，不同尺寸的平面光源都可以利用双片面光源整形镜组形成均匀的照明区域；圆形区域的均匀性和平面光源的位置无关，轴上和离轴平面光源都可以利用双片面光源整形镜组形成均匀的照明区域，这是本发明的核心思想。一般人做照明的话，只负责看照明面，不考虑光源的结构，本发明是从光源入手，将面光源等效为相同的无数点光源的叠加，每个点光源都认为它向各个角度发出的光强度是一致的，实际上也是如些，LED的原理是半导上掺杂型形成pn结，每个pn结的发光特性可以认为是相同的，只要我们能将每点发出的光通过光学系统，尽可能的叠加到一个需要的区域，那么这个区域就是均匀的，而这种方法由于对光源做了假设，所以最终是和光源的面积不相关的，不管光源是大是小，是偏还是正，通过这个光学系统，都可以在目标面上形成均匀的光斑。本发明是采用成像光学的思路来设计，抛弃了传统的非成像光学只考虑光线，而不对光线结构进行分类，调配的缺点，这样的系统，容差性更强，均匀性更好，利用这种思想设计的光学系统，可是两片、一片，也可以更多，两片的结构从系统复杂性，易加工性，成本各个方面考虑都是最好的，对于不同的照明面积，两片镜片的具体参数是不同的。

本发明在沿光线传播方向依次设有照明光源1、PBS棱镜4、微显示芯片5以及投影成像物镜3，照明光源1与PBS棱镜4之间配合设置双片面光源整形镜组2，照明光源1发出的光束通过双片面光源整形镜组2整形后，照明光源每一点发出的正负90度的光线都均匀的照射在同一个圆形区域内，这样就形成一个均匀分布的照明面，设置在该照明面上的微显示芯片上的图像经过投影成像物镜后投影成像在屏幕上。

照明光源1与双片面光源整形镜组2之间可以设置一个均光光棒7，均光光棒7出射端作为入射双片面光源整形镜组2的发光面，以提高系统的均匀性。

双片面光源整形镜组2与PBS棱镜4之间配合设置光斑变换镜组6，在微显示芯片5上形成均匀的椭圆照明光斑，提高有效利用区的比例。

照明光源1是平面封装的LED光源，可以是点光源也可以是一定尺寸的面光源，并且在此范围内任意尺寸的面光源放置于系统的轴上，都可以在轴上形成均匀的照明区域；较小尺寸的面光源，可以放置于系统的离轴位置，但是也可以在轴上形均匀的照明区域；多个较小尺寸的面光源，可以分别放置于系统的不同离轴位置，但是可以在轴上分别形成均匀的照明区域并且合成均匀的照明区域。

图1为宽尺寸面光源整形透镜原理图，从图上可以看到，利用透镜折光特性，可以将平面封装LED光源上的每一点发出的光都均匀的打在一个圆形的区域上，并且光源上不同点发出的光线在目标面上都打在同一个圆形的区域上，光源的大小仅仅使得照射在圆形区域上的光线变多变少，不会对该区域的均匀性产生影响。光源位置同样不会对照明区域的均匀性产生影响。

图2为基于双片面光源整形镜组的微型光引擎结构图，沿光线传播方向，依次设有平面封装LED光源、双片面光源整形镜组、PBS棱镜、微显示芯片，投影成像物镜。LED发出的光，经过双片面光源整形镜组后，再通过PBS棱镜将自然光变成线偏振光，在微显示芯片上形成适合微显示芯片照明用均匀的角度小于15度的入射光，微显示芯片上的图像被照亮后，通过投影成像物镜投射在屏幕上显示。

图3为双片面光源整形镜组通配不同大小面光源示意图，由于双片面光源整形镜组采用图1所示的原理进行设计，可以发现当LED尺寸变小时，仅仅使得入射到目标面上的光线变少，不会对该区域的均匀性产生影响，所以双片面光源整形镜组可以安装发光尺寸不同的平面封装LED光源，而不会影响最终投影系统的画面均匀性。

图4为双片面光源整形镜组通配轴上、离轴位置的面光源示意图, 由于双片面光源整形镜组采用图1所示的原理进行设计,光源的位置对目标区域的均匀性不会造成影响，所以可以将光源放置于离轴的位置而不会对目标区域的均匀性造成影响，从而保证投影系统画面均匀性。

图5为基于双片面光源整形镜组及光斑变换镜组的微型光引擎结构图，沿光线传播方向，依次设有平面封装LED光源、双片面光源整形镜组、光斑变换镜组、PBS棱镜、微显示芯片，投影成像物镜。LED发出的光，经过双片面光源整形镜组和光斑变换镜组后，再通过PBS棱镜将自然光变成线偏振光，在微显示芯片上形成适合微显示芯片照明用均匀的角度小于15度的入射光，微显示芯片上的图像被照亮后，通过投影成像物镜投射在屏幕上显示。

图6为光斑变换镜组工作原理图，双片面光源整形镜组可以将平面封装LED光源发出的光源变成一个均匀的圆形光斑照射在微显示芯片上，矩形的微显示芯片仅取出均匀圆形光斑的一个矩形区域用于照明，其它区域被浪费掉，通过光斑变换镜组可以将入射的圆形均匀光斑，变换成一个椭圆形的光斑，从而提高光线的利用率。

图7为基于双片面光源整形镜组及匀光光棒的微型光引擎结构图，沿光线传播方向设有平面封装LED光源、匀光光棒、双片面光源整形镜组、PBS棱镜、微显示芯片、投影成像物镜。LED发出的光，经过匀光光棒消除掉自身的缺陷，在出射端面形成一个均匀的发光面，该发光面发出的光经过双片面光源整形镜组，再通过PBS棱镜将自然光变成线偏振光，在微显示芯片上形成适合微显示芯片照明用均匀的角度小于15度的入射光，微显示芯片上的图像被照亮后，通过投影成像物镜投射在屏幕上显示。

图8为基于双片面光源整形镜组、匀光光棒及光斑变换镜组的微型光引擎结构图，沿光线传播方向设有平面封装LED光源、匀光光棒、双片面光源整形镜组、光斑变换镜组、PBS棱镜、微显示芯片、投影成像物镜。LED发出的光，经过匀光光棒消除掉自身的缺陷，在出射端面形成一个均匀的发光面，该发光面发出的光经过双片面光源整形镜组和光斑变换镜组后，再通过PBS棱镜将自然光变成线偏振光，在微显示芯片上形成适合微显示芯片照明用均匀的角度小于15度的入射光，微显示芯片上的图像被照亮后，通过投影成像物镜投射在屏幕上显示。

以上实施例，仅为说明本发明专利的技术特征和可实施性，其目的在于使该领域的技术人员能了解本发明的内容并予以实施。尽管已经参考具体实施例对本发明作了描述，但是，不应将这些描述理解为一种限制情形，对于本领域的专业人员来说参考以上对本发明的描述显然能够做出对公开实施例中的各种改进以及本发明的另外实施例，因此，可以设想只要不偏离本发明的精神和范围是能够做出这样的改进，凡依本发明的构思所做出的变换，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，沿光线传播方向依次设照明光源、PBS棱镜、微显示芯片以及投影成像物镜，其特征在于：照明光源与PBS棱镜之间配合设置双片面光源整形镜组，照明光源发出的光束通过双片面光源整形镜组整形后，照明光源每一点发出的正负90度的光线都均匀的照射在同一个圆形区域内，形成一个均匀分布的照明面，设置在该照明面上的微显示芯片上的图像经过投影成像物镜后投影成像在屏幕上。

2.根据权利要求1所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，其特征在于所述的照明光源与双片面光源整形镜组之间设置一个均光光棒，均光光棒出射端作为入射双片面光源整形镜组的发光面。

3.根据权利要求1所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，其特征在于所述的双片面光源整形镜组与PBS棱镜之间配合设置光斑变换镜组，在微显示芯片上形成均匀的椭圆照明光斑。

4.根据权利要求1或2所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，其特征在于所述的照明光源是平面封装的LED光源。

5.根据权利要求1或2所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，其特征在于所述的照明光源是平面封装的LED光源，该平面封装的LED光源是点光源或者面光源。

6.根据权利要求5所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，其特征在于所述的照明光源为平面封装的LED面光源，该面光源放置在系统的轴上或者离轴放置，其经双片面光源整形镜组整形后均能够在轴上形成均匀的照明区域。

7.根据权利要求5所述的用于微型投影光引擎的宽尺寸面光源整形系统，其特征在于所述的照明光源为平面封装的LED面光源，该面光源设置为多个，且放置在系统的不同离轴位置，经双片面光源整形镜组整形后在轴上分别形成均匀的照明区域并且合成均匀的照明区域。

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