CN1261814C - 光棒型光学引擎照明系统 - Google Patents

Abstract

一种光棒型光学引擎照明系统，包括光源、反射式椭球聚光镜、光棒及非阵列偏振棱镜组，照明光源置于反射式椭球聚光镜的一个焦点上，其光束汇聚在聚光镜的另一个焦点，形成系统的入射光斑，入射光束经光棒内表面多次反射混光，输出矩形均匀光斑，经准直透镜变为平行光，非阵列偏振棱镜组的分束面将入射平行光分解为透射P分量和反射S分量，其中S分量经棱镜再次反射后沿光轴方向出射，而P分量经二分之一波片转成S分量。本发明采用光棒实现照明光场的混光、匀光，用非阵列的偏光棱镜实现全光场的偏振输出，具有制造简单、成本低廉和实用化等特点，适用于正投影视频显示器和背投影电视机，符合国内当前的光学制造能力和水平。

Description

光棒型光学引擎照明系统

技术领域：

本发明涉及一种光棒型光学引擎照明系统，更具体地涉及正投式或背投式投影机光学引擎的照明及混光系统。适用的投影机包括透射式LCD芯片和反射式LCD芯片组成的正投投影机或背投投影机。照明及混光系统主要指光学引擎内部由光源、聚光镜、光积分器件以及偏器件组成的光学系统，也包括相关的二分之一波片和准直透镜等。

背景技术：

照明及混光系统是投影机光学引擎的重要组成部分，它对投影机的成本和主要性能指标有很大影响。光学引擎对照明光学系统的要求很高，主要包括：全视场范围内的照度非常均匀，光能利用率尽可能大，照明光场是偏振度非常高的线偏振光，照明光的色谱范围很宽且强度均衡，各色谱通道线偏振光的振动方向可按需要调整等。

目前，各种类型的光学引擎都采用蝇眼透镜阵列和称为PBS板的偏振光束分离器阵列，加上抛物面型反光碗的光源组，构成光学引擎的照明光学系统。蝇眼透镜阵列是由光轴互不平行的单元透镜复合而成的非球面透镜组，它对照明空间的光强分布进行空间分割，每一透镜单元都将它所覆盖的不均匀光场投射到LCD有效视场范围内，适当增加单元数，可提高混光均匀性：PBS阵列的每一单元正好与后蝇眼透镜阵列的对应单元匹配，每一PBS单元不仅使非偏振光分解为P、S两个线偏振分量，又分别将其转化为同一出射方向和同一偏振态(或P，或S)的线偏振光输出。

传统数字影像投影显示器所采用的蝇眼透镜阵列和PBS阵列光源系统，存在着工艺技术复杂、产品合格率低和成本高等难题。我国目前还不具备制造蝇眼透镜阵列和PBS阵列的能力，国外也只有个别厂家垄断了这两种关键器件。这种局面，严重制约了我国光学引擎和投影光机产业的起步和形成。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新型光棒型光学引擎照明系统，使之具有制造简单、成本低廉和实用化等特点，适用于正投影视频显示器和背投影电视机，符合国内当前的光学制造能力和水平。

为实现这样的目的，本发明设计的光学引擎照明系统，摒弃传统的蝇眼透镜阵列和PBS阵列，而由称为光棒的光积分器件实现照明光场的混光、匀光，(即所谓光积分)，而输出光偏振态的控制则由非阵列结构的偏振棱镜完成。

本发明的光学引擎照明系统，由光源、反射式椭球聚光镜、用于光传输和混光的光棒、以及非阵列偏振棱镜组等部分组成。照明光源置于反射式椭球聚光镜的一个焦点上，其光束汇聚在椭球聚光镜的另一个焦点，形成系统的入射光斑。光棒为细长形六面体棱镜，可以是柱体棱镜或锥体棱镜，入射端面与入射光斑重合，出射端面是长方形，与三通道LCD芯片的长宽比相同，而入射端面或等于出射端面或为正方形，两个端面相互平行。光束进入光棒后，经四个内表面的多次反射混光，即所谓光积分平均，在光棒输出端形成矩形均匀光斑。光束偏振态由胶合的非阵列偏振棱镜组控制，偏振度取决于入射光的平行度，这一任务由前置准直透镜完成。棱镜组的胶合分束面将入射平行光分解为透射P分量和反射S分量，其中S分量经棱镜再次反射后沿光轴方向出射，而P分量经二分之一波片转相成S分量(或P分量直接出射，S分量经二分之一波片转相成P分量)，光能利用率提高一倍。

氙灯出射光强的空间不均匀性，经椭球反光碗聚焦，变为角度分布的不均匀性。入射光棒后，光的空间不均匀分布又转化为光轴方向上的入射位置变化，其出射位置将因光棒内部的来回反射而搅乱，即所谓混光。合理设计光棒几何参数，使光强每一单位空间分布(或光棒内每一单位入射位置分布)的混光范围与出射截面匹配，则氙灯出射光强的空间不均匀性，将因各单元在光棒内的混合叠加效应，得到均匀的出射光场。

本发明所说的光棒，包括光线在玻璃、塑料等固体透光介质内部传播的实心棒，也包括光线在由固体反射界面围成的空气空间中反射的空心棒。

所说的实心棒，包括相互垂直的两个主截面(含主光轴的面)均为矩形的柱形光棒，相互垂直的两个主截面均为梯形的锥形光棒，以及其中一个主截面为炬形、与之垂直的另一个主截面为梯形的锥形光棒。柱形棒表面和锥形棒表面，可镀反射膜，也可不镀膜。

所说的空心棒，包括两个相互垂直的主截面(含主光轴的面)均为矩形的柱形光棒，以及其中一个主截面为炬形、与之垂直的另一个主截面为梯形的锥形光棒，也包括两个相互垂直的主截面均为梯形的锥形光棒。空心柱形光棒界面和空心锥形光棒界面，通常都蒸镀反射膜。

所说的实心光棒或空心光棒，其长度根据混光均匀度要求，按如下原则确定：使入射光强每一单位空间分布(或光棒内每一单位入射位置分布)的混光范围与出射截面匹配，则氙灯出射光强的空间不均匀性，将因各单元空间光强在光棒内的混合叠加效应，得到均匀的出射光场。

本发明所说的控制光束偏振态的非阵列棱镜组，可取多种结构组合，其中包括平行四边形棱镜与直角等腰三角棱镜组合，包括能实现将入射光先分解成P分量和S分量，然后又使这两个分量以同一方向和同一偏振态出射的其它棱镜组合。

本发明所说的光学引擎照明系统，包括使椭球聚光镜汇聚光点直接入射光棒的基本系统，也包括椭球聚光镜汇聚光点不直接入射光棒、而通过其他光组再聚焦入射的扩展系统，例如光棒前可放置球透镜，椭球聚光镜的汇聚光经小球聚焦后，会聚角与光斑尺寸将引起变化，光棒混光规律与混光结果也随之改变；合理设计相关几何参数，仔细调整小球与光棒之间的距离，可获得满意的匀光效果。

本发明具有制造简单、成本低廉和实用化等特点。采用光棒实现照明光场的混光、匀光，其结构比传统的蝇眼透镜阵列简单得多，加工和装校也大为简化，有利于降低成本，同时它可压缩光斑尺寸与会聚角的乘积，从而提高光源利用率。此外，用2～3个非阵列的偏光棱镜实现全光场的偏振输出，其结构和技术难度也比PSB偏振阵列简单容易，成本也低得多。

本发明适用于正投影视频显示器和背投影电视机，符合国内当前的光学制造能力和水平。

附图说明：

图1是本发明的光学引擎照明系统结构示意图。

如图所示，本发明的光学引擎照明系统，主要由光源1、反射式椭球聚光镜2、用于光传输和混光的光棒4、以及非阵列偏振棱镜组6组成。照明光源1置于反射式椭球聚光镜2的一个焦点上，其光束汇聚于椭球聚光镜2的另一个焦点，形成系统的入射光斑3。光棒出射端面是长宽比与LCD芯片相同的长方形，入射端面或为正方形或为长方形。光棒4的入射端面与入射光斑3重合，光棒4与准直透镜5、非阵列棱镜组6依次排列在同一光轴上，入射光束经光棒内表面多次反射混光，在输出端形成矩形均匀光斑。准直透镜5将光棒输出变为平行光，非阵列棱镜组6的分束面将入射平行光分解为透射P分量和反射S分量，其中S分量经棱镜再次反射后沿光轴方向出射，而P分量经二分之一波片7时转成S分量。如将二分之一波片移至棱镜左边，则系统输出P偏振光。

具体实施方式：

本发明的一个实施例结构如图1。基本工作原理和具体参数为：照明光源1为功率150W的高压汞灯，置于反射式椭球聚光镜2的一个焦点上，而使反射光束汇聚于椭球聚光镜的另一个焦点，形成系统的入射光斑3；调节光源位置，使汇聚后的光斑尺寸与会聚角的乘积最小。光棒4的入射端面与入射光斑3重合，为5×5mm的正方形，出射端面是5×6.67mm的长方形，光棒长度60mm；光棒出射端的长宽比为4∶3，与LCD芯片的长宽比匹配。光棒输出端形成的矩形均匀光斑，由50mm焦距的准直透镜5变换为平行光，其发散度在±4.8°范围内，保证经偏振棱镜后的偏振态及偏振度。控制光束偏振态的非阵列棱镜组6，采用平行四边形棱镜与直角等腰三角棱镜组合的双偏振棱镜，其入射截面为20mm×40mm，出射截面是40mm×40mm，出射截面的一半面积上贴有二分之一波片7。

Claims (3)

1、一种光棒型光学引擎照明系统，由光源(1)、反射式椭球聚光镜(2)、用于光传输和混光的光棒(4)以及非阵列偏振棱镜组(6)组成，其特征在于照明光源(1)置于反射式椭球聚光镜(2)的一个焦点上，其光束汇聚在椭球聚光镜(2)的另一个焦点，并经球透镜聚焦后入射光棒(4)，形成系统的入射光斑(3)，光棒(4)的入射端面与入射光斑(3)重合，光棒(4)为细长形六面柱体棱镜或锥体棱镜，其入射端面与出射端面相互平行，其长度根据混光均匀度要求确定，使入射光强每一单位空间分布的混光范围与出射截面匹配，光棒(4)与准直透镜(5)、非阵列棱镜组(6)依次排列在同一光轴上，非阵列棱镜组(6)贴有二分之一波片(7)，在光棒内表面多次反射混光形成的矩形均匀光斑输出，经准直透镜(5)变为平行光，非阵列棱镜组(6)的分束面将入射平行光分解为透射P分量和反射S分量，其中S分量经棱镜再次反射后沿光轴方向出射，而P分量经二分之一波片(7)时转成S分量。

2、如权利要求1所说的光棒型光学引擎照明系统，其特征在于光棒(4)是光线在固体透光介质内部传播的实心棒，或者是光线在由固体反射界面围成的空气空间中反射的空心棒。

3、如权利要求1所说的光棒型光学引擎照明系统，其特征在于非阵列棱镜组(6)为平行四边形棱镜与直角等腰三角形棱镜的组合。