CN1641468A - 透镜合色式光学投影机 - Google Patents
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Abstract
一种透镜合色式光学投影机，包括照明、分色、合色及成像模组，分色后的光线经图像芯片、准直透镜，再经合色透镜进入成像模组；各组准直透镜的光轴相互平行；其中图像芯片位于准直透镜的焦平面上，合色透镜组有共同的光轴，并且各组准直透镜与合色透镜组成的系统对图像芯片显示的图像的放大倍率相同；合色透镜组有共同的象方焦平面。灯源发出的光线经过照明、分色模组后，分别照明各个图象芯片，合色模组把图象芯片显示的图象合在一起，成象模组把合色模组合成的图象成象到屏幕上。本发明采用了透镜合色，突破了传统的合色方式。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学投影机，特别涉及透镜合色式光学投影机。
技术背景
目前用于光学投影机的图像芯片主要有透射式图像芯片LCD(Liquid CrystalDisplay)、反射式图像芯片LCOS(Liquid Crystal On Silicon)和DLP(Digital LightProcessing)三种。图1给出了一个典型的LCD投影机光引擎光路图。它的合色部分采用了一块X-Cube。从灯源101中发出的光经过复眼102、103后，入射到PBS阵列104上，PBS阵列104把入射自然光转变为部分偏振光。灯源101，复眼102、103，PBS阵列104，透镜105和透镜109、118、122、125，反射镜106、108、123、124，二向色性滤光片107和117以及偏振片110、119、126组成照明模组，分别照明红、绿、蓝三色LCD panel 111、120、127。偏振片112、121和128保证LCD Panel正常工作。根据不同LCD Panel的特性和X-Cube 113的二向色性滤光膜114、115的设计要求，在LCD Panel的入射侧和(或)出射侧需要加半波片。从LCD Panel 120出射的光线透过X-Cubel 13，从LCD Panel 111、127出射的光线分别经过115和114的反射进入投影物镜116中，经投影物镜成像到接收屏幕上。
这种结构的投影机基于X-Cube完成三色图象的合成。
图2给出了一个LCOS投影机的光引擎光路图，它的照明部分类似于图1的光路。灯源201、复眼202、203、PBS阵列204、透镜205、208、223、228、二向色性滤光片206、222以及反射镜207、220、221组成照明模组分别照明红、绿、蓝三色LCOS panel 212、227和232。偏振片209、224、229提高入射光的偏振度。PBS棱镜210、225、230的PBS膜211、226、231反射入射S波到相应的LCOS panel上。偏振片213、214、215保证LCOS Panel的正常工作。从LCOS panel出射的光线分别穿过PBS膜211、226、231后经过X-Cube的合色进入投影物镜中，由投影物镜把LCOS panel显示的图象成象于接收屏幕上。
图1和图2给出的光引擎光路图通过X-Cube合色。X-Cube的大批量生产还没有完全本地化。本发明采用透镜进行合色，不同色光图象调重合容易，降低了生产成本，为投影机光引擎大批量本地化生产提供了可能。
发明内容
一种透镜合色式光学投影机，包括照明模组、分色模组、合色模组及成像模组，其特征在于经分色模组后的光线经图像芯片、准直透镜，再经合色透镜进入成像模组；各组准直透镜的光轴相互平行；其中图像芯片位于准直透镜的焦平面上，合色透镜组有共同的光轴，并且各组准直透镜与合色透镜组成的系统对图像芯片显示的图像的放大倍率相同；合色透镜组有共同的象方焦平面。
经过照明、分色模组后，照明光分成若干组色光，分别照明各个图象芯片，合色模组把图象芯片显示的图象合在一起，成象模组把合色模组合成的图象成象到屏幕上。
本发明采用透镜合色，合色模组包括准直透镜组和合色透镜组；准直透镜组的各组透镜的光轴相互平行或经过折反射后相互平行；合色透镜组可以由若干部分组成，它们有共同的光轴或经过折反射后有共同的光轴，并且它们有共同的象方焦平面；从图象芯片发出的各组光线经准直透镜变为平行光，然后会聚到合色透镜组的焦平面上；准直透镜组的各组透镜和合色透镜组组成的系统对图象芯片显示的图象有相同的放大倍率。照明光经照明模组、分色模组后照明图象芯片，不同图象芯片显示的图象合成在合色模组的合色透镜组的象方焦平面上，不同色光的图象合成在一起。
上述的结构可以实现多色光图象的合成，扩大了可以表现的色域空间。
设计时，可以使上述的结构从照明模组发出的光线经分色模组能照明整个图像芯片；准直透镜组的若干组透镜能分别接收从图像芯片发出的全部光束；合色透镜组能接收从准直透镜组发出的全部光束；成象模组能接收从合色透镜组发出的全部光束，没有遮光现象发生，充分利用光能。
同时为了保证图象芯片正常工作，根据图象芯片的要求，依常规设计在入射光路上和出射光路上安装偏振片；为了提高对比度在图象芯片和偏振片之间安装波片。本发明中不再赘述。
本发明的实质发明点在于采用了透镜合色，突破了传统的合色方式，光束三原色的入射组合由二向色性膜306、308的特性决定。
上述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于所述的各组准直透镜的光轴相互平行，各组从准直透镜出射的光线投射到同一块合色透镜上。
这是最简单的一种结构，合色透镜为同一块，保证了合色透镜组有共同的象方焦平面。
上述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于在至少一组合色透镜后加装反射镜，各组合色透镜的光轴重合。通过加装反射镜，可以改变透镜组的相对位置，满足空间结构对投影机外形的要求。
上述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于在至少一组准直透镜后加装反射镜，各组从准直透镜出射的光线经反射后投射于同一合色透镜上。通过加装反射镜，可以改变透镜组的相对位置，满足三色图象调重合和空间结构的要求。
上述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于在至少一组准直透镜前加装一反射镜，各组从准直透镜出射的光线投射于同一合色透镜。通过加装反射镜，可以改变透镜组的相对位置，满足三色图象调重合和空间结构的要求。
上述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于将三色光图象合成。分为三原色光是最常用的分色方式。
上述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于将五色光图象合成。采用五色光图象合成扩展了图象可以表现的色域空间。
上述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于其中二组图像芯片的准直透镜、合色透镜组为同一组。二组图象芯片共用同一个准直透镜可以减小合色透镜的尺寸，降低设计难度。
上述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于所述的反射镜为X-Cube，准直后的光线通过X-Cube投射到合色透镜上。用X-Cube作反射镜，使二组色光的反射通过同一块X-Cube的二向色性滤光膜实现，减小了合色透镜的尺寸，降低了设计难度。
上述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于分色后的光线通过PBS棱镜垂直入射于反射式图像芯片上，由反射式图像芯片反射的光线透过PBS棱镜投射于准直透镜上。目前常用的反射式图像芯片是LCOS Panel。
上述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于分色后的光线斜入射在反射式图像芯片上，再由图像芯片将光线反射到准直透镜上。斜入射式也称离轴式，常用的图象芯片有LCOS Panel和DLP。
附图说明
图1为典型的LCD投影机光引擎光路图。
图2为典型的LCOS投影机光引擎光路图。
图3为本发明实施例1 LCD投影机光引擎整体结构示意图。
图4为本发明实施例2 LCD投影机光引擎整体结构示意图。
图5为本发明实施例3 LCD投影机光引擎整体结构示意图。
图6为本发明实施例4 LCD投影机光引擎整体结构示意图。
图7为本发明实施例5 LCD投影机光引擎整体结构示意图。
图8为本发明实施例6 LCD投影机光引擎整体结构示意图。
图9为本发明实施例7 LCD投影机光引擎整体结构示意图。
图10为本发明实施例8 LCD投影机光引擎合色模组结构示意图。
图11为本发明实施例9 LCD投影机光引擎合色模组结构示意图。
图12为本发明实施例10 LCOS投影机光引擎整体结构示意图。
图13为本发明实施例10 LCOS投影机光引擎合色模组A侧向透射部分光路示意图。
图14为本发明实施例10 LCOS投影机光引擎B侧向整体结构示意图。
图15为本发明实施例11 LCOS投影机光引擎合色模组结构示意图。
图16为本发明实施例11合色模组E侧向透射部分光路示意图。
图17为本发明实施例12合色模组结构示意图。
图18为本发明实施例13 LCOS投影机光引擎整体结构示意图。
图19为本发明实施例14离轴式LCOS投影机光引擎合色模组结构示意图。
图20为本发明实施例14合色模组F侧向透射部分光路示意图。
具体实施方式
实施例1：
参照附图，一种透镜合色式光学投影机，包括照明模组、分色模组、合色模组及成像模组，其特征在于经分色模组后的光线经图像芯片、准直透镜，再经合色透镜进入成像模组；各组准直透镜的光轴相互平行；其中图像芯片位于准直透镜的焦平面上，合色透镜组有共同的光轴，并且各组准直透镜与合色透镜组成的系统对图像芯片显示的图像的放大倍率相同；合色透镜组有共同的象方焦平面；各组从准直透镜出射的光线投射到同一块合色透镜上；不同图象芯片显示的图象合成在合色透镜的焦平面上。
本实施例中图象芯片采用透射式图像芯片LCD Panel。照明模组和分色模组依次包括灯源301，复眼透镜302、303，PBS阵列304，照明大透镜305，二向色性滤光片306、308，反射镜310，照明小透镜311、307、312、309、313，偏振片314、315、316。从灯源301发出的光线经过复眼透镜302、303后光束被分割，PBS阵列304把入射自然光转变为部分偏振光，提高了光能利用率，照明大透镜305和小透镜311，307、312，309、313组合形成均匀的光斑照明LCD Panel，二向色性滤光片306反蓝光透红绿光，二向色性滤光片308反绿光透红光，偏振片314、315、316提高了入射光的偏振度，分色后蓝绿光直接照明LCD Panel 317、318，红光经过反射镜310后照明LCD Panel 319；合色模组包括LCD Panel、偏振片、准直透镜、合色透镜，偏振片320、321、322保证了LCD Panel的正常工作，图象芯片显示的图象经过准直透镜323、324、325后成象到无穷远，也就是图象芯片放置在准直透镜的焦平面上，光线经准直透镜后形成平行光，平行光会聚到合色透镜326的焦平面上，准直透镜323、324、325和合色透镜326组成的系统对图象芯片显示的图象的放大倍率相同，从而实现了不同色光图象在326的象方焦平面上的合成；合成后的图象327经投影物镜328成象到屏幕上。
可以采用另外的红绿蓝三色光的不同排列组合照明图象芯片，这时需要使二向色性滤光片306、308反射相应的色光，透射其余的色光。
实施例2：
参照附图，与实施例1不同的是，本实施例中，采用四原色光照明图象芯片。二向色性滤光片401取代了反射镜310，402、404组成延长光路照明LCD Panel406，403为反射镜，偏振片405、407的作用与实施例1相同，406显示的图象经过准直透镜408成象到无穷远，然后会聚到合色透镜326的焦平面上，准直透镜323、324、325、408和合色透镜326组成的系统对LCD Panel显示的图象的放大倍率相同，不同色光图象在合色透镜326的焦平面上合成为图象327，327经投影物镜328成象到屏幕上。采用实施例的合色结构，可以实现更多原色光图象的合成，拓展了可以表现的色域空间。
实施例3：
参照附图，本实施例与实施例1不同的是合色模组含有反射镜329、330，反射镜放置在准直透镜之前，经过反射镜的准直透镜的光轴和未经过反射镜的准直透镜的光轴相互平行；这样的结构扩大了图象芯片之间的间隔，有利于三色图象的重合调整。
实施例4：
参照附图，本实施例与实施例1不同的是，合色透镜326由三部分组成，它们有共同的光轴，有共同的象方焦平面，它们和相应的准直透镜组成的系统对图象芯片显示的图象的放大倍率相同；各组从图象芯片发出的光线经过相应的准直透镜和合色透镜326会聚到一起合成为图象327。
实施例5：
参照附图，本实施例与实施例4不同的是，合色模组含有反射光路，各组合色透镜有共同的光轴，有共同的象方焦平面，它们和相应的准直透镜组成的系统对图象芯片显示的图象的放大倍率相同；从图象芯片发出的光线会聚于合色透镜326的焦平面上；701、702、703、704为反射元件。
实施例6：
参照附图，本实施例与实施例1不同的是，图象芯片315、316的准直透镜为一个，这样缩小了合色透镜326的口径，降低了投影物镜328的通光口径的要求；其中801为照明小透镜，802、803、804为反射镜，805为二向色性滤光片；805反射红光透过绿光。
实施例7
参照附图，本实施例与实施例6不同的是，在准直透镜后安装了反射元件X-Cube 902，从图象芯片317发出的蓝光通过二向色性膜904由二向色性膜903反射入合色透镜326中；从图象芯片319发出的红光通过二向色性膜903由904反射入合色透镜326中；从图象芯片318发出的绿光通过二向色性膜903、904进入合色透镜326中；准直透镜323、324、325和合色透镜326组成的系统对图象芯片显示的图象的放大倍率相同；图象芯片317、318、319显示的图象通过合色模组会聚到326的焦平面上，合成为图象327。
采用X-Cube，进一步缩小了合色透镜326的口径，降低了投影物镜328的设计难度；901、905为反射镜。
实施例8：
参照附图，本实施例与实施例1不同的是，入射光线由X-Cube 1001分色，二向色性膜1002反射红光透射蓝绿光，二向色性膜1006透射红绿光反射蓝光，蓝光由X-Cube 1001的二向色性膜1006反射到反光镜1003上，经过照明小透镜311蓝光光斑会聚到图象芯片317上；红光由X-Cube 1001的二向色性膜1002反射到反光镜1005上，经过照明小透镜313红光光斑会聚到图象芯片319上；绿光透过X-Cube 1001的二向色性膜1002、1006入射到反射镜1004上，经过照明小透镜312绿光光斑会聚到图象芯片318上；317、318、319“品”字形排列，缩小了合色透镜326的口径。
实施例9：
参照附图，本实施例与实施例8不同的是，图象芯片317、318、319“一”字形排列，蓝光经过X-Cube 1101的二向色性膜1102反射到反射镜1105上，经过照明小透镜311会聚到图象芯片317上；红光经过X-Cube 1101的二向色性膜1103反射到反射镜1107上，经过照明小透镜313会聚到图象芯片319上；绿光透过X-Cube 1101的二向色性膜1102、1103经312会聚到图象芯片318上；透镜1104、1106分别组成蓝红光的延长光路。
实施例10：
参照附图，本实施例与实施例1不同的是，图象芯片1225、1226、1227为反射式LCOS Panel。从灯源1201发出的光束经过复眼透镜1202、1203分割成若干小光束，PBS阵列1204把入射自然光转变为部分偏振光，提高了光能的利用率；照明大透镜1205与照明小透镜1213、1214、1215，绿红光的延长光路1209、1211组成照明模组照明LCOS Panel 1225、1226、1227；1206、1207为反射镜，二向色性滤光片1208反射蓝光透射绿红光，蓝光经过照明小透镜1213入射到PBS棱镜1219上，1216为偏振片，提高了入射光的偏振度，入射到PBS棱镜上的S态偏振光经过PBS膜1220的反射入射到LCOS Panel 1225上，从1225反射光线的偏振态发生旋转，P态偏振光透过PBS膜1220入射到准直透镜1231上，偏振片1228保证LCOS Panel的正常工作，1225显示的图象位于1231的焦平面上，从1225发出的光线经过1231成象到无穷远，然后会聚到合色透镜1234的焦平面上；二向色性滤光片1210反射绿光透射红光，绿光经过照明小透镜1214入射到PBS棱镜1221上，偏振片1217的作用与1216相同，入射到PBS棱镜1221上的S态偏振光经过PBS膜1222的反射入射到LCOS Panel 1226上，从1226反射光线的偏振态发生旋转，P态偏振光透过PBS膜1222入射到准直透镜1232上，偏振片1229的作用与1228的相同，1226显示的图象位于1232的焦平面上，从1226发出的光线经过1232成象到无穷远，然后会聚到合色透镜1234的焦平面上；红光透过二向色性滤光片1210，经过反射镜1212的反射由1215会聚到PBS棱镜1223上，1223的PBS膜1224把入射的S态偏振光反射到LCOSPanel 1227的表面，1227显示的图象位于准直透镜1233的焦平面上，从1227发出的光线经1233成象到无穷远，然后会聚到合色透镜1234的焦平面上，偏振片1218、1230的作用与1216、1228的相同；准直透镜1231、1232、1233和合色透镜1234组成的系统对LCOS Panel显示的图象的放大倍率相同，1225、1226、1227显示的图象在1234的焦平面上合成为图象1235；合成后的图象1235由投影物镜1236成象到屏幕上。
可以采用另外的红绿蓝三色光的不同排列组合照明LCOS Panel，这时需要使二向色性滤光片1208、1210反射相应的色光，透射其余的色光。
实施例11：
参照附图，本实施例与实施例10不同的是分色模组采用了X-Cube 1501，1501的二向色性膜1502透射绿红光反射蓝光，二向色性膜1503透射蓝绿光反射红光，蓝光经1502和反射镜1504的反射由小透镜1505会聚到PBS棱镜1219上，红光经过1503和反射镜1506的反射由小透镜1507会聚到PBS棱镜1223上，绿光直接透过二向色性膜1502、1503入射到PBS棱镜1221上；其余元件的作用、工作原理与实施例10相同。
实施例12：
参照附图，本实施例与实施例11不同的是1225、1226、1227为“品”字形排列。X-Cube 1701的二向色性膜1702反射蓝光透射绿红光，二向色性膜1703反射红光透射蓝绿光，绿光透过二向色性膜1702、1703由小透镜1706会聚到PBS棱镜1221上；蓝光经过1702、反射镜1704的反射后由小透镜1705会聚到PBS棱镜1219上；红光经过1703、反射镜1707的反射后由小透镜1708会聚到PBS棱镜1223上；其余元件的作用、工作原理与实施例11相同；本实施例与实施例11相比缩小了合色透镜1234的口径，减轻了投影物镜的设计压力。
实施例13：
参照附图，本实施例与实施例10不同的是在准直透镜1231、1232、1233和合色透镜1234之间安装了起到反射镜作用的X-Cube 1803，从灯源1201发出的光线经过复眼透镜1202、1203后光束被分割，PBS阵列1204把入射自然光转变为部分偏振光，提高了光能的利用率；二向色性滤光片1801反射蓝绿光透射红光，蓝绿光经过二向色性滤光片1802分色后绿光由小透镜1214会聚到PBS棱镜1221上；蓝光由小透镜1213会聚到PBS棱镜1219上；红光经过延长光路1806、反射镜1807由小透镜1215会聚到PBS棱镜1223上；由LCOS Panel 1225反射的蓝光经过二向色性膜1805的反射由合色透镜1234会聚到焦平面上；由LCOS Panel 1227反射的红光经过二向色性膜1804的反射会聚到1234的焦平面上；由LCOS Panel 1226反射的绿光透过二向色性膜1804、1805会聚到1234的焦平面上；准直透镜1231、1232、1233和合色透镜1234组成的系统对LCOS Panel显示的图象的放大倍率相同，1225、1226、1227显示的图象在1234的焦平面上合成为图象1235；1235经投影物镜1236成象到屏幕上；本实施例中其它元件的工作原理、作用与实施例10相同。
实施例14：
参照附图，本实施例与实施例11不同的是光线斜入射到LCOS Panel 1225、1226、1227上，照明模组和合色模组采用离轴设计；从1225、1226、1227发出的光线经准直透镜1231、1232、1233成象到无穷远，然后会聚到合色透镜1234的焦平面上；准直透镜1231、1232、1233和合色透镜1234组成的系统对1225、1226、1227显示的图象的放大倍率相同，1225、1226、1227显示的图象在合色透镜1234的焦平面上合成为图象1235；1235由投影物镜1236成象到屏幕上；本实施例中其余元器件的作用和工作原理与实施例11相同；X-Cube 1901的二向色性膜1902反射蓝光透射绿红光，二向色性膜1903反射红光透射蓝绿光；蓝光经过1902、反射镜1904的反射由照明透镜1213会聚到LCOS Panel 1225上；红光经过1903、反射镜1905的反射由照明透镜1215会聚到LCOS Panel 1227上；绿光通过二向色性膜1902、1903由照明透镜1214会聚到LCOS Panel 1226上。
本实施例采用离轴设计，不用PBS棱镜分离照明光束和成象光束，绕开了PBS棱镜的性能影响投影图象质量的限制。
Claims (11)
1、一种透镜合色式光学投影机，包括照明模组、分色模组、合色模组及成像模组，其特征在于经分色模组后的光线经图像芯片、准直透镜，再经合色透镜进入成像模组；各组准直透镜的光轴相互平行；其中图像芯片位于准直透镜的焦平面上，合色透镜组有共同的光轴，并且各组准直透镜与合色透镜组成的系统对图像芯片显示的图像的放大倍率相同；合色透镜组有共同的象方焦平面。
2、如权利要求1所述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于所述的各组准直透镜的光轴相互平行，各组从准直透镜出射的光线投射到同一块合色透镜上。
3、如权利要求1所述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于在至少一组合色透镜后加装反射镜，各组合色透镜的光轴重合。
4、如权利要求1所述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于在至少一组准直透镜后加装反射镜，各组从准直透镜出射的光线经反射后投射于同一合色透镜上。
5、如权利要求1所述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于在至少一组准直透镜前加装反射镜，各组从准直透镜出射的光线投射于同一合色透镜上。
6、如权利要求1所述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于将三色光图象合成。
7、如权利要求1所述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于将五色光图象合成。
8、如权利要求1所述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于其中二组图像芯片的准直透镜、合色透镜组为同一组。
9、如权利要求4所述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于所述的反射镜为X-Cube，准直后的光线经过X-Cube投射到合色透镜上。
10、如权利要求1所述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于分色后的光线通过PBS棱镜垂直入射于反射式图像芯片上，再通过PBS棱镜投射于准直透镜上。
11、如权利要求1所述的一种透镜合色式光学投影机，其特征在于分色后的光线斜入射在反射式图像芯片上，再由图像芯片将光线反射到准直透镜上。
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