CN1350192A - 液晶芯片正投式投影机光学系统 - Google Patents

Abstract

一种液晶芯片正投式投影机光学系统,包括灯泡、混光偏光、照明物镜以及分光合光四大部分。椭球反射面聚光镜将白光聚焦到光棒的入射端面上,椭球反射面聚光镜与光棒的光路中间有反射镜将光路转90°,光在光棒内混合后出射的发散光束经准直透镜组、两片式偏光棱镜变成偏振光,再经透镜组光路中间的反射镜将光路转90°,经过透蓝分光镜、透红分光镜及场镜和液晶芯片,由合光棱镜合为一束光,入射到投影物镜内,由投影物镜投射到屏幕上。本发明在结构布置上有较大的灵活性,光学元件加工容易,降低了系统成本,并保证足够的输出光通量和比较高的图像分辨率。

Description

液晶芯片正投式投影机光学系统

技术领域：

本发明涉及一种液晶芯片正投式投影机光学系统。投影机主要指由三片(而非单片)透射式液晶芯片组成的正投式(而非背投式)投影机；光学系统主要指其内部的灯泡、聚光镜、混光系统、偏光系统、照明物镜、分光合光系统、液晶芯片以及投影镜头组成的系统，也包括场镜、紫外红外滤光片、二分之一波片以及偏振片等。

背景技术：

光学系统是液晶芯片正投式投影机内部最为关键的部分，它决定了投影机绝大部分性能指标，也决定了投影机的成本。增加输出光通量、提高图像分辨率以及降低成本是目前液晶芯片正投式投影机发展的三个主要方向。在先技术中(参见“総論-液晶プロジエクタ-の光学系”，西田、信夫，《O plus E》，第3卷，第22期，2000年3月，第295(300页)，液晶芯片正投式投影机的光学系统中混光系统采用复眼透镜、偏光系统采用多片棱镜胶合的偏振光束分离器以及合光系统采用了X形棱镜，其缺点是：上述元件加工困难，光学系统费用高，投影机成本难以降低。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种液晶芯片正投式投影机光学系统，所需元件易于加工，能够克服现有技术中所存在的高成本的问题，并保证足够的输出光通量和比较高的图像分辨率。

为实现这样的目的，本发明采用光棒混光代替复眼透镜混光、用两片式偏光棱镜代替多片棱镜胶合的偏振光束分离器以及用L形棱镜代替X形棱镜。

光学系统包括灯泡、混光偏光、照明物镜以及分光合光四大部分。灯泡用于产生投影用的白光束。混光偏光部分则包括椭球反射面聚光镜、反射镜、光棒、准直透镜组以及两片式偏光棱镜。椭球反射面聚光镜将位于其最近焦点上的灯泡发出的光聚焦到光棒的入射端面上。反射镜置于椭球反射面聚光镜与光棒的光路中间，并将光路转了90°，它的加入可缩小光学系统所占的空间，并可以透过灯泡发出的不需要的红外线和紫外线，红外线照射后面光学元件会使它们温度上升，紫外线则对人体有伤害。光在光棒内混合，以消除灯泡发光面的不均匀性。从光棒出射端面出射的发散光束由随后的准直透镜组准直(压缩发散角)，以利于后面的两片式偏光棱镜工作。两片式偏光棱镜将准直透镜组的出射光束变成偏振光(这是由于液晶芯片工作时需要偏振光)。照明物镜部分包括照明前透镜、反射镜以及照明后透镜。照明前透镜和照明后透镜组成一个透镜组，将两片式偏光棱镜出射的光均匀地会聚到液晶芯片上。反射镜置于照明前透镜和照明后透镜的光路中间，并将光路转了90°，它是纯粹为缩小光学系统所占空间而加入的。所说的分光合光部分包括透兰分光镜、反射镜、透红分光镜、三片场镜和三片液晶芯片、合光棱镜以及投影物镜。从照明后透镜出射的光束经过透兰分光镜后，透射的是兰光，经反射镜反射后依次照射到第三片场镜和第三片液晶芯片上，由第三片液晶芯片控制投影的兰色分量；经透兰分光镜反射的红绿光经过透红分光镜后，透射的是红光，依次照射到第一片场镜和第一片液晶芯片上，由第一片液晶芯片控制投影的红色分量；经透红分光镜反射的绿光依次照射到第二片场镜和第二片液晶芯片上，由第二片液晶芯片控制投影的绿色分量。透过三个液晶芯片的光经合光棱镜后合为一束光，入射到投影镜头内，由投影镜头投射到屏幕上。

本发明具有显著的效果，在结构布置上也有较大的灵活性。本发明采用光棒作为光束混合器，光棒为规则的棱镜，相比复眼透镜加工要容易得多，大大降低了混光系统的成本。而且混合的效果可通过光棒的长度加以调节。由于光束在光棒内部来回反射，光棒可用来压缩光斑尺寸和会聚角的乘积，提高光源的利用率。本发明采用了两片式偏光棱镜，比之多个棱镜组成的偏振光束分离器，显然成本要低的多。在本发明的分光系统中采用了两个分立的分光镜、一个分立的反射镜和三片相同的场镜，加工成本低，装校容易，而在先技术中的分光部分采用的分光镜和反射镜较多，有一个场镜与其它的不同，还需加辅助透镜。本发明的合光系统中采用了作为整体的合光棱镜，其加工和装配难度较之X形棱镜为低，对降低投影机成本也有利，并能保证足够的输出光通量和比较高的图像分辨率。

附图说明及具体实施方式：

图1为本发明的光学系统结构示意图。

如图所示，本发明的液晶芯片正投式投影机光学系统结构包括灯泡3、混光偏光、照明物镜以及分光合光四大部分。

椭球反射面聚光镜2的反射面为椭球面的一部分，有一个通过椭球面两个焦点的旋转对称轴。在本发明中，灯泡3的中心位于椭球反射面聚光镜2的反射面的一个靠近反射面的焦点附近且位于椭球反射面聚光镜2的反射面的旋转对称轴上，与旋转对称轴重合的为第一水平线pp。在第一水平线pp上，在椭球反射面聚光镜2的反射面的两个焦点之间置有第一结构用反射镜1，第一结构用反射镜1的反射面与第一水平线pp成45°角放置；这样，第一结构用反射镜1将椭球反射面聚光镜2的另一个焦点(灯泡3中心占据了一个焦点)反射到通过第一结构用反射镜1的反射面与第一水平线pp的交点且垂直于第一水平线pp的第一垂直线ss上。光束经椭球反射面聚光镜2的反射面的反射以及第一结构用反射镜1的反射面的反射后，会聚于椭球反射面聚光镜2反射面的另一个焦点附近，也就在第一垂直线ss上。灯泡3与椭球反射面聚光镜2反射面在第一水平线pp上的间距的准确数量应使会聚后的光斑尺寸和会聚角的乘积最小。

在会聚后的光束行进方向上且中心轴线与第一垂直线ss重合地置有光棒4，光棒4入射端面与光斑重合。光在光棒4内来回反射，达到混光的效果。

在光棒4出射端面出射光束前进的方向上且在第一垂直线ss上依次置有准直透镜组5和两片式偏光棱镜8。准直透镜组5的光轴与第一垂直线ss重合，焦距为F₁，焦点位于光棒4的出射端面中心。光棒4出射端面上一点发出的光束经准直透镜组5后成为平行光束，平行光束与光轴的最大角度为θ(tgθ＝D/2F₁，D为光棒4的出射端面对角线的长度)，θ应小于8°。两片式偏光棱镜8的入射端面AA′与第一垂直线ss垂直，中心位于第一垂直线ss上。

在通过两片式偏光棱镜8的出射端面BB′的中心O且与第一垂直线ss平行的第二垂直线s′s′上，沿两片式偏光棱镜8出射端面BB′出射光束前进的方向上依次置有照明前透镜11和第二结构性反射镜17，照明前透镜11的光轴与第二垂直线s′s′重合，第二结构性反射镜17的反射面与第二垂直线s′s′成45°角放置。

在通过第二结构性反射镜17的反射面与第二垂直线s′s′的交点且垂直于第二垂直线s′s′的第二水平线p′p′上，沿第二结构性反射镜17的反射面反射光束前进的方向上依次置有照明后透镜18、透兰分光镜19和反射镜20。照明后透镜18的光轴与第二水平线p′p′重合，透兰分光镜19的分光面与第二水平线p′p′成45°角放置，反射镜20的反射面与透兰分光镜19的分光面平行。

在通过透兰分光镜19的分光面与第二水平线p′p′的交点O′且垂直于第二水平线p′p′的第三垂直线s″s″上，沿透兰分光镜19分光面反射光束前进的方向上依次置有透红分光镜12、第一片场镜10、第一片液晶芯片9、合光棱镜6的第一入射面CC′和合光棱镜6的反射面FF′。透红分光镜12的分光面与透兰分光镜19的分光面平行，透红分光镜12的分光面与第三垂直线s″s″的交点为O″，第一片场镜10和第一片液晶芯片9的光轴与第三垂直线s″s″重合，合光棱镜6的第一入射面CC′与第三垂直线s″s″垂直，合光棱镜6的反射面FF′与透兰分光镜19的分光面平行，合光棱镜6的反射面FF′与第三垂直线s″s″的交点为O，应保证O′O″＝O″O。

在通过透红分光镜12的分光面与第三垂直线s″s″的交点O″且垂直于第三垂直线s″s″的第三水平线p″p″上，沿透红分光镜12分光面反射光束前进的方向上依次置有第二片场镜13、第二片液晶芯片14、合光棱镜6的第二入射面DD′和合光棱镜6的透兰合光面GG′。第二片场镜13和第二片液晶芯片14的光轴与第三水平线p″p″重合，合光棱镜6的第二入射面DD′与第三水平线p″p″垂直，合光棱镜6的透兰合光面GG′与透红分光镜12的分光面平行。

在通过反射镜20的反射面与第二水平线p′p′的交点O″″且垂直于第二水平线p′p′的第四垂直线ss上，沿反射镜20反射面反射光束前进的方向上依次置有第三片场镜16、第三片液晶芯片15、合光棱镜6的第三入射面EE′、合光棱镜6的透兰合光面GG′以及合光棱镜6的透红合光面HH′。应保证O′O″＝O′O″″。第三片场镜16和第三片液晶芯片15的光轴与第四垂直线ss重合，合光棱镜6的第三入射面EE′与第四垂直线ss垂直，合光棱镜6的透红合光面HH′与反射镜20的反射面平行。第四垂直线ss通过第三水平线p″p″与合光棱镜6的透兰合光面GG′的交点。

第一片场镜10、第一片液晶芯片9以及合光棱镜6的第一入射面CC′与第三垂直线s″s″和合光棱镜6的反射面FF′的交点O的距离，第二片场镜13、第二片液晶芯片14以及合光棱镜6的第二入射面DD′与第三水平线p″p″和合光棱镜6的透兰合光面GG′的交点的距离，第三片场镜16、第三片液晶芯片15以及合光棱镜6的第三入射面EE′与第三水平线p″p″和合光棱镜6的透兰合光面GG′的交点的距离，应分别对应地相等。

第一片液晶芯片9、第二片液晶芯片14以及第三片液晶芯片15均位于照明前透镜11与照明后透镜18组成的照明物镜的像方焦点处。照明前透镜11与照明后透镜18组成的照明物镜的焦距为F₂，且F₂与F₁之比稍大于(例如大2％)液晶芯片尺寸(指第一片液晶芯片9、第二片液晶芯片14以及第三片液晶芯片15，它们的尺寸相同)与光棒4出射端面尺寸之比。

在通过第三垂直线s″s″和合光棱镜6的反射面FF′的交点O且垂直于第三垂直线s″s″的第四水平线pp上，沿着合光棱镜6的反射面FF′反射的光束前进的方向上，依次置有合光棱镜6的透红合光面HH′、合光棱镜6的出射面H′以及投影镜头组7。合光棱镜6的出射面II′与第四水平线pp垂直，投影镜头组7的光轴与第四水平线pp平行。第四水平线pp通过第四垂直线ss与合光棱镜6的透红合光面HH′的交点。

除灯泡3、第一片液晶芯片9、第二片液晶芯片14和第三片液晶芯片15外，其余均为玻璃材料制品。

所说的第一结构用反射镜1，其反射面上镀有可以透过灯泡发出的不需要的红外线和紫外线的膜。

所说的光棒4是一个对称的六面体棱镜，最小的两个端面是平行的，其中最小端面是正方形，也就是入射端面，边长与入射的光斑直径吻合；另一个端面是长方形，长宽比等于液晶芯片的长宽比，宽度与入射端面边长相等，也就是出射端面。

所说的两片式偏光棱镜8，是由一个等腰直角三角形棱镜(非工作端面为等腰直角三角形ABO)和一个平行四边形棱镜(非工作端面为平行四边形AA′B′O)胶合而成，平行四边形AA′B′O的一个对角线(A′O)与边垂直，长度与等腰直角三角形ABO的直角边相同。胶合发生在两棱镜大工作面上，即胶合面AO上。胶合后等腰直角三角形棱镜的一个小工作面BO面，与平行四边形棱镜一个小工作面OB′面，在一个平面上，即在出射面BB′上。出射面BB′的OB′端贴有二分之一波片。入射的光束通过入射面AA′打在胶合面AO上，胶合面AO上镀有偏振分光膜，偏振面与第一垂直线ss和胶合面AO的法线决定的平面平行的光束(p光)将透过胶合面AO，偏振面与第一垂直线ss和胶合面AO的法线决定的平面垂直的光束(s光)将由胶合面AO反射，再由面A′B′全反射后经过二分之一波片后也成为p光。也就是说，二分之一波片的快轴方向应使经过它的s光变成p光。

所说的透兰分光镜19，是一个平行平板玻璃，其分光面上镀有分光膜，通过分光膜的光为兰光，反射的光为红绿光。

所说的透红分光镜12，是一个平行平板玻璃，其分光面上镀有分光膜，通过分光膜的光为红光，反射的光为绿兰光。

所说的合光棱镜6的透兰合光面GG′，其合光面上镀有分光膜，通过分光膜的光为兰光，反射的光为红绿光。

所说的合光棱镜6的透红合光面HH′，其合光面上镀有分光膜，通过分光膜的光为红光，反射的光为绿兰光。

灯泡3发出的光束经椭球反射面聚光镜2的反射面的反射以及第一结构用反射镜1的反射面的反射后，其中的可见光分量会聚于椭球反射面聚光镜2反射面的另一个焦点附近，也就在第一垂直线ss上光棒4的入射端面上。光在光棒4内来回反射，达到混光的效果。从光棒4出射端面出射的光束经准直透镜组5后准直，也就是说，光棒4出射端面上任一点发出的光束经准直透镜组5后成为平行光束。准直后的光束入射到两片式偏光棱镜8入射面AA′上，其中p分量直接通过胶合面AO后从出射面BO端出射，s分量经过胶合面AO和面A′B′全反射后入射到贴在出射面OB′端的二分之一波片上，经过二分之一波片后成为p光出射。也就是说，准直后的光束通过两片式偏光棱镜8后变成偏振的p光。从两片式偏光棱镜8出射面BB′出射的光束经过照明前透镜11的透射、第二结构性反射镜17的反射面反射以及照明后透镜18的透射后入射透兰分光镜19上，透兰分光镜19的分光面将光分成两部分：一部分是透过透兰分光镜19的分光面的兰光，另一部分是经透兰分光镜19分光面反射的红绿光。

兰光经反射镜20反射面反射后，透过第三片场镜16后主光线平行地照射在第三片液晶芯片15上，第三片液晶芯片15对兰光进行空间灰度调制。通过第三片液晶芯片15的兰光经合光棱镜6的透兰合光面GG′的透射以及合光棱镜6的透红合光面HH′的反射后从合光棱镜6的出射面II′出射，经投影镜头组7后将第三片液晶芯片15的像投射到屏幕上。

红绿光经透红分光镜12的分光面后，将分成两部分：一部分是透过透红分光镜12的分光面的红光，另一部分是经透红分光镜12分光面反射的绿光。

红光透过第一片场镜10后主光线平行地照射在第一片液晶芯片9上，第一片液晶芯片9对红光进行空间灰度调制。通过第一片液晶芯片9的红光经合光棱镜6的反射面FF′的反射以及合光棱镜6的透红合光面HH′的透射后从合光棱镜6的出射面II′出射，经投影镜头组7后将第一片液晶芯片9的像投射到屏幕上。

绿光透过第二片场镜13后主光线平行地照射在第二片液晶芯片14上，第二片液晶芯片14对绿光进行空间灰度调制。通过第二片液晶芯片14的绿光经合光棱镜6的透兰合光面GG′的反射以及合光棱镜6的透红合光面HH′的反射后从合光棱镜6的出射面II′出射，经投影镜头组7后将第二片液晶芯片14的像投射到屏幕上。

第一片液晶芯片9、第二片液晶芯片14以及第三片液晶芯片15的像在屏幕上重叠，产生三原色(红、绿和兰)组合后的全色像。

本发明的光混合系统中采用光棒4作为光束混合器，可以消除灯泡3发光在空间分布上的不均匀性。光棒为规则的棱镜，加工容易，由于是单个元件，装校也容易，大大降低了光混合系统的成本。混合的效果也可通过光棒4的长度加以调节。由于光束在内部来回反射，光棒4可用来压缩光斑尺寸和会聚角的乘积，提高光源的利用率。采用两片式偏光棱镜8的成本，比之多个棱镜组成的PBS要低的多。分光系统中采用了两个分立的分光镜(透兰分光镜19和透红分光镜12)和一个分立的反射镜20，三个场镜(第一片场镜10、第二片场镜13和第三片场镜15)是相同的，加工成本低，装校容易，而在先技术中的分光部分采用的分光镜和反射镜较多，有一个场镜与其它的不同，还需加辅助透镜。合光系统中采用了作为整体的合光棱镜6，合光棱镜6的加工和装配难度较之X形棱镜为低，对降低投影机成本有利，并保证足够的输出光通量和比较高的图像分辨率。

本发明在结构布置上也有较大的灵活性，例如第二结构用反射镜17可以加入也可以不加入，加入时光路可向任意合适的角度转；由照明后透镜18出射的光束可沿s″s″方向入射到透兰分光镜19上；投影物镜7的光轴也可以沿着ss方向。

另外在三色光中，红光和蓝光的光路可以对调，也就是说，透兰分光镜19可以换成透红性质的，同时透红分光镜12换成透兰性质的，合光棱镜的合光膜也做相应的变动，即透红合光面HH′变成透兰性质的，透兰合光面GG′变成透红性质的。

滤除光源中的红外线和紫外线也可以采用在椭球反射面聚光镜上镀只对白光透过的分光膜。

在本发明的实施例中，光学系统如图1所示。

灯泡3采用高压汞灯(功率150W)，灯泡3至椭球反射面聚光镜2反射面的距离为8mm左右；光棒4入射端面为5×5mm，出射端面为5×6.67mm，长度为60mm；准直透镜组5的焦距为50mm，最大通光口径为Ф40mm；从光棒4出射端面出射的光经过准直透镜组5后光的角度范围±4.8°以内；两片式偏光棱镜8的入射截面为20mm×30mm，出射截面为40mm×30mm。照明前透镜11与照明后透镜18的组合焦距为108mm，照明前透镜11与照明后透镜18的中间光程距离为70mm，两者的最大通光口径为Ф64mm。在分光合光部分中，O′O″＝O″O＝O′O＝50mm；第一片场镜10、第二片场镜13和第三片场镜16的焦距为100mm，通光口径为Ф20mm；投影镜的焦距为27mm，工作距离大于80mm。

该投影机在1米、3.8米以及10米的投影距离上都能达到800×600像素的分辨率。光通量在500流明以上。

Claims (5)

1、一种液晶芯片正投式投影机光学系统，包括灯泡、混光偏光、照明物镜以及分光合光四大部分，其特征在于灯泡(3)的中心位于椭球反射面聚光镜(2)的反射面的旋转对称轴上，混光偏光部分中，在椭球反射面聚光镜(2)与光棒(4)的光路中间置有反射镜(1)，其反射面与椭球反射面聚光镜(2)的旋转对称轴成45°角放置，将光路转90°，光棒(4)入射端面与灯泡(3)经椭球反射面聚光镜会聚的光斑重合，在光棒(4)出射端面出射光束前进的方向上依次置有准直透镜组(5)和两片式偏光棱镜(8)，准直透镜组(5)的焦点位于光棒(4)的出射端面中心，照明物镜部分中，照明前透镜(11)和照明后透镜(18)组成一个透镜组，在照明前透镜(11)和照明后透镜(18)的光路中间有反射镜(17)，将光路转90°，分光合光部分包括透兰分光镜(19)、反射镜(20)、透红分光镜(12)、三片场镜(10、13、16)、三片液晶芯片(9、14、15)、合光棱镜(6)以及投影镜头组(7)，沿反射镜(17)的反射面反射光束前进的方向上依次置有照明后透镜(18)、透兰分光镜(19)和反射镜(20)，透兰分光镜(19)的分光面与照明后透镜(18)的光轴成45°角，与反射镜(20)的反射面平行，沿透兰分光镜(19)分光面反射光束前进的方向上依次置有透红分光镜(12)、第一片场镜(10)、第一片液晶芯片(9)、合光棱镜(6)的第一入射面CC′和合光棱镜(6)的反射面FF′，透红分光镜(12)的分光面以及合光棱镜(6)的反射面FF′与透兰分光镜(19)的分光面平行，沿透红分光镜(12)分光面反射光束前进的方向上依次置第二片场镜(13)、第二片液晶芯片(14)、合光棱镜(6)的第二入射面DD′和合光棱镜(6)的透兰合光面GG′，合光棱镜(6)的透兰合光面GG′与透红分光镜(12)的分光面平行，沿反射镜(20)反射面反射光束前进的方向上依次置有第三片场镜(16)、第三片液晶芯片(15)、合光棱镜(6)的第三入射面EE′、合光棱镜(6)的透兰合光面GG′以及合光棱镜(6)的透红合光面HH′，合光棱镜(6)的透红合光面HH′与反射镜(20)的反射面平行，第一片液晶芯片(9)、第二片液晶芯片(14)以及第三片液晶芯片(15)均位于照明前透镜(11)与照明后透镜(18)组成的照明物镜的像方焦点处，沿合光棱镜(6)的反射面FF′反射光束前进的方向上依次置有合光棱镜(6)的透红合光面HH′、合光棱镜(6)的面II′以及投影镜头组(7)。

2、如权利要求1所说的液晶芯片正投式投影机光学系统，其特征在于所说的光棒(4)是一个对称的六面体棱镜，入射端面是正方形，边长与入射的光斑直径吻合，出射端面是长方形，长宽比等于液晶芯片的长宽比，宽度与入射端面的边长相等，光棒(4)出射端面上一点发出的光束经准直透镜组(5)后的平行光束与光轴的最大角度θ小于8°。

3、如权利要求1所说的液晶芯片正投式投影机光学系统，其特征在于所说的两片式偏光棱镜(8)是由一个等腰直角三角形棱镜和一个平行四边形棱镜胶合而成，胶合面镀有偏振分光膜，出射面贴有二分之一波片。

4、如权利要求1所说的液晶芯片正投式投影机光学系统，其特征在于所说的透兰分光镜(19)与透红分光镜(12)是平行平板玻璃，其分光面上镀有分光膜。

5、如权利要求1所说的液晶芯片正投式投影机光学系统，其特征在于所说的合光棱镜(6)的透兰合光面与透红合光面上镀有分光膜。