CN201464787U - 用于背投影显示装置中的光学引擎 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于背投影显示装置中的光学引擎,尤其涉及一种以LED作为投影光源和使用单片LCOS显示芯片作为投影物像的光学引擎,包括光源系统、聚光合光系统、照明系统、光学投影成像系统,其中,光源系统包括至少一组单色LED发光芯片,光学投影成像系统包括PBS棱镜、单片时序LCOS反射式显示芯片和大广角定焦投影镜头;单色LED发光芯片发射出的光,经聚光合光系统合并成一束复合光后进入照明系统进行整形,整形后再进入PBS棱镜,PBS棱镜将部分偏振光转折投射在单片时序LCOS反射式显示芯片上,形成影像并通过大广角定焦投影镜头,扩大投射在背投屏幕上。本实用新型使用寿命长且生产成本低。
Description
技术领域
本实用新型公开了一种用于背投影显示装置中的光学引擎,尤其涉及一种以LED作为投影光源和使用单片LCOS显示芯片作为投影物像的光学引擎。
背景技术
背投电视是能够提供视频或产生数字图像的装置。无论在家庭娱乐、广告、视频会议或组群会议中使用,都需要适当的显示装置。
使用寿命与性价比是消费者用于判定显示装置的重要因素之一。一般而言,通常使用的UHP、UHE等高压、超高压投影灯,其投影光源一般只能提供2-3年的使用寿命,之后就需要更换灯源。也就是说,目前市场上的显示装置存在使用寿命短且生产成本高的问题。
实用新型内容
为了解决上述问题,本实用新型提供了一种使用寿命长且生产成本低的用于背投影显示装置中的光学引擎。
为了实现上述目的,本实用新型所采用的技术方案为:
一种用于背投影显示装置中的光学引擎,包括光源系统、聚光合光系统、照明系统、光学投影成像系统,其中,光源系统包括至少一组单色LED发光芯片,光学投影成像系统包括PBS棱镜、单片时序LCOS反射式显示芯片和大广角定焦投影镜头;单色LED发光芯片发射出的光,经聚光合光系统合并成一束复合光后进入照明系统进行整形,整形后再进入PBS棱镜,PBS棱镜将部分偏振光转折投射在单片时序LCOS反射式显示芯片上,形成影像并通过大广角定焦投影镜头,扩大投射在背投屏幕上。
PBS棱镜用于控制偏振态光学行进的方向;单片时序LCOS反射式显示芯片用于产生影像;大广角定焦投影镜头用于将影像扩大并进行投影。背投屏幕可以包括多层材料,例如菲涅耳屏幕,该屏幕可以被设计成控制光在水平方向上传播,以适应水平位于屏幕前的观众。
将LED作为光源至少可以提供10年以上的使用寿命,其已达到甚至超过背投影显示装置整个系统的使用寿命。而用单片时序LCOS反射式显示芯片产生数字影像可以降低背投影显示装置的整个价格,得到更大的性价比。同时,大广角定焦投影镜头能产生较大、基本不失真,且不需要数字梯度较正的投影影像。
作为上述方案的优选,所述光源系统包括三组单色LED发光芯片;聚光合光系统包括三组分别与该三组单色LED发光芯片一一对应的聚光镜组合,以及将每组聚光镜组合发射过来的光束进行聚合的光学元件;照明系统包括沿光路走向依次设置的下聚光镜、长方形的积分柱、上聚光镜组合。
其中,聚光镜组合的作用是将单色LED发光芯片发射出来的光线聚集起来,以减少其发散角。
光学元件的作用是将几束不同颜色的色光聚合成一束复色光,在此优选方案内,光学元件选用X棱镜.应当指出的是,由于LED光源采用时序的工作方式,所以在一个很微小的工作时间内,整个系统中都只有一种单色光并没有真正意义上的复色光,但是在未经过光学元件之前,各单色光的行进路线是可能不同的,但经过光学元件之后,各单色光的行进路线却是一致的.这样只要三色光的重复发出的间隔小于人眼的弛豫时间,则人眼将视其为复色光.
积分柱为可改变光束能量分布的光束整形光学元件。下聚光镜、上聚光镜组合的作用均与聚光镜组合的作用一样,在此不多作赘述。
作为上述方案的另一优选,所述光源系统包括两组单色LED发光芯片;聚光合光系统包括两个分别与该两组单色LED发光芯片一一对应的聚光透镜阵列,以及将每个聚光透镜阵列发射过来的光束进行聚合的光学元件;照明系统包括沿光路走向依次设置的下聚光镜组合二、长方形的积分柱、上聚光镜组合二。此方案中的光学元件选用二色镜。
聚光透镜阵列、下聚光镜组合二、上聚光镜组合二的作用均与聚光镜组合的作用一样,在此不多作赘述。
作为上述方案的再另一优选,所述光源系统包括三组单色LED发光芯片;聚光合光系统包括三个分别与该三组单色LED发光芯片一一对应的聚光镜,以及将每个聚光镜发射过来的光束进行聚合的光学元件;照明系统包括沿光路走向依次设置的两个复眼透镜阵列、偏振光转换器光学元件、聚光镜三。此方案中的光学元件选用X棱镜。
聚光镜、聚光镜三的作用均与聚光镜组合的作用一样,在此不多作赘述。复眼透镜阵列为可改变光束能量分布的光束整形光学元件。偏振光转换器光学元件可改变光束偏振态,具体的说,就是可将光束中偏振态为P偏振态的那一部分光线,转变成S偏振态,而原来是S偏振态的光线仍然是S偏振态。
本实用新型用于背投影显示装置中的光学引擎采用了上述方案后,单色光按控制以时序方式从各自LED发光芯片中发射出以后,经聚光合光系统合并成一束复合光后进入照明系统进行整形,整形后再进入PBS棱镜,PBS棱镜将偏振光分成两部分,一部分将返回原光路,而另一部分将进入单片时序LCOS反射式显示芯片,经单片时序LCOS反射式显示芯片产生影像后,再反射进入大广角定焦投影镜头,最终大广角定焦投影镜头将扩大的影像投放到背投屏幕上,且该影像基本不失真。
总之,本实用新型用于背投影显示装置中的光学引擎使用寿命长且生产成本低。
本实用新型用于背投影显示装置中的光学引擎,可以在壁挂式投影系统,多媒体系统,紧凑集成监视系统和便携式投影单元中实现。
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型的系统结构示意图;
图2为本实用新型第一种实施例的结构示意图;
图3为本实用新型第二种实施例的结构示意图;
图4为本实用新型第三种实施例的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,本实用新型用于背投影显示装置中的光学引擎,包括光源系统11、聚光合光系统12、照明系统13、光学投影成像系统14。其中,光源系统11包括至少一组单色LED发光芯片,光学投影成像系统14包括PBS棱镜、单片时序LCOS反射式显示芯片和大广角定焦投影镜头。单色LED发光芯片发射出的光,经聚光合光系统合并成一束复合光后进入照明系统进行整形,整形后再进入PBS棱镜,PBS棱镜将部分偏振光转折投射在单片时序LCOS反射式显示芯片上,形成影像并通过大广角定焦投影镜头,扩大投射在背投屏幕15上。
下面我们来列举三个实施例:
实施例一如图2所示,背投影显示装置中的光学引擎,包括光源系统11、聚光合光系统12、照明系统13、光学投影成像系统14。其中,光源系统11包括三组单色LED发光芯片,它们分别为绿光201、红光202、蓝光203。聚光合光系统12包括三组分别与该三组单色LED发光芯片201、202、203一一对应的聚光镜组合201-1、201-2,202-1、202-2,203-1、203-2,以及将每组聚光镜组合201-1、201-2,202-1、202-2,203-1、203-2发射过来的光束进行聚合的光学元件X棱镜204。照明系统13包括沿光路走向依次设置的下聚光镜205、长方形的积分柱206、上聚光镜组合。上聚光镜组合包括两个依次叠加的聚光镜207、208。光学投影成像系统14包括PBS棱镜209、单片时序LCOS反射式显示芯片210和大广角定焦投影镜头211。
工作原理如下:
从三组单色LED发光芯片201,202,203中发出的单色光,分别进入各自对应的聚光镜组合201-1、201-2,202-1、202-2,203-1、203-2进行聚光,之后一起入射到X棱镜204中合并成一束复合光,接着复合光进入照明系统13的下聚光镜205,之后再进入积分柱206进行光束整形,然后依次通过聚光镜207、聚光镜208后,进入光学投影成像系统14,在光学投影成像系统14中,光束先通过PBS棱镜209,将偏振光分成两部分,一部分将返回原光路,而另一部分将进入单片时序LCOS反射式显示芯片210,经单片时序LCOS反射式显示芯片210产生影像后,再反射进入大广角定焦投影镜头211,最终大广角定焦投影镜头211将扩大的影像投放到背投屏幕15上。背投屏幕15可选用菲涅耳屏幕,该屏幕可以被设计成控制光在水平方向上传播,以适应水平位于屏幕前的观众。
实施例二如图3所示,背投影显示装置中的光学引擎,包括光源系统11、聚光合光系统12、照明系统13、光学投影成像系统14。其中,光源系统11包括两组单色LED发光芯片,它们均采用点阵单色LED,即绿光LED发光点阵301和红蓝光LED发光点阵302。聚光合光系统12包括两个分别与绿光LED发光点阵301、红蓝光LED发光点阵302一一对应的聚光透镜阵列303、304,以及将每个聚光透镜阵列303、304发射过来的光束进行聚合的二色镜305;组成聚光透镜阵列303、304的每个小透镜单元分别对应一个单色LED发光芯片,并负责将其对应的单色LED发光芯片发出的光束会聚。照明系统13包括沿光路走向依次设置的下聚光镜组合二、长方形的积分柱308、上聚光镜组合二。下聚光镜组合二包括两个依次叠加的聚光镜306、307。上聚光镜组合二包括两个依次叠加的聚光镜309、310。光学投影成像系统14包括PBS棱镜311、单片时序LCOS反射式显示芯片312和大广角定焦投影镜头313。
工作原理如下:
绿光LED发光点阵301和红蓝光LED发光点阵302发出的光,分别进入各自对应的聚光透镜阵列303、304进行聚光,之后一起入射到二色镜305中合并成一束复合光,接着复合光先后进入照明系统13的聚光镜306、307,然后会聚进入积分柱308进行光束整形,接着再依次通过聚光镜309、310后,进入光学投影成像系统14的PBS棱镜311,将偏振光分成两部分,一部分将返回原光路,而另一部分将进入单片时序LCOS反射式显示芯片312,经单片时序LCOS反射式显示芯片312产生影像后,再反射进入大广角定焦投影镜头313,最终大广角定焦投影镜头313将扩大的影像投放到背投屏幕15上。
实施例三如图4所示,背投影显示装置中的光学引擎,包括光源系统11、聚光合光系统12、照明系统13、光学投影成像系统14。其中,光源系统11包括三组单色LED发光芯片401、402、403。聚光合光系统12包括三个分别与该三组单色LED发光芯片401、402、403一一对应的聚光镜404、405、406,以及将每个聚光镜404、405、406发射过来的光束进行聚合的光学元件X棱镜407。照明系统13包括沿光路走向依次设置的两个复眼透镜阵列408、409、偏振光转换器光学元件410、聚光镜三411。光学投影成像系统14包括PBS棱镜412、单片时序LCOS反射式显示芯片413和大广角定焦投影镜头414。
工作原理如下:
三组单色LED发光芯片401、402、403发出的单色光,进入各自对应的聚光镜404、405、406,经过聚光镜404、405、406后,光束变成近似平行光,并入射到X棱镜407合成一束复合光。在完成合光之后,进入照明系统13的光束将先后通过两个复眼透镜阵列408、409,这两个复眼透镜阵列408、409将完成光束的整形并再通过偏振光转换器光学元件410,此偏振光转换器光学元件410可以将光线中偏振态为P偏振态的那一部分光线,转变成S偏振态,而原来S偏振态的光线仍然是S偏振态,完成偏振转化后,光束再通过聚光镜三411将光束会聚进入光学投影成像系统14的PBS棱镜412,这时均是S偏振态的光束将全部反射在单片时序LCOS反射式显示芯片413上形成影像,影像再经过大广角定焦投影镜头414扩大并投射在背投屏幕15上。
本实用新型用于背投影显示装置中的光学引擎,被用在短投射距离、大屏幕背投影电视中。词语“投射距离”表示由从投影屏幕到投影镜头第一片镜片的光学距离。另外,在背投影电视中基本不失真,意味着失真不超过2%,在优选进是小于或等于1%,最为优选的是小于或等于0.5%。这些失真值对于大多数成像装置而言不需要电子失真较正。电视机/背投电视使用寿命是以每天工作5小时计算。在本文献中,词语“大约”认为修饰所有的数值。
在实施例中,屏幕到光学引擎的投影距离与图像尺寸(4:3格式或16:9格式,对角)的比例可以是大约是1.9~2.2比1,词语“4:3格式”和“16:9格式”指的是测量的图像宽度与图像高度的常规图像格式。
另外,光学引擎被设计成使用很少需要或不需要梯形失真较正,同时减少失真.例如投影图像的失真值可以小于等于1%,优选的是小于或等于0.5%(失真(d)可以通过下述等式决定d=(H-h)/h*100,其中h为近轴像高度,H为实际图像高度).在一个示例性实施例中,光学引擎能够提供具有4:3格式的影像.在另一个示例性实施例中,光学引擎可以提供具有16:9格式的影像.本实用新型被设计成在各种背投影应用中在较短的距离和极端离轴位置处提供较大的图像尺寸.另外,此处所述的光学引擎基本不失真,而且需要较小到不需要梯形失真较正.
上述实施例仅用于解释说明本实用新型的发明构思,而非对本实用新型权利保护的限定,凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动,均应落入本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于背投影显示装置中的光学引擎,其特征在于:包括光源系统、聚光合光系统、照明系统、光学投影成像系统,其中,光源系统包括至少一组单色LED发光芯片,光学投影成像系统包括PBS棱镜、单片时序LCOS反射式显示芯片和大广角定焦投影镜头;单色LED发光芯片发射出的光,经聚光合光系统合并成一束复合光后进入照明系统进行整形,整形后再进入PBS棱镜,PBS棱镜将部分偏振光转折投射在单片时序LCOS反射式显示芯片上,形成影像并通过大广角定焦投影镜头,扩大投射在背投屏幕上。
2.如权利要求1所述的用于背投影显示装置中的光学引擎,其特征在于:所述光源系统包括三组单色LED发光芯片;
聚光合光系统包括三组分别与该三组单色LED发光芯片一一对应的聚光镜组合,以及将每组聚光镜组合发射过来的光束进行聚合的光学元件;
照明系统包括沿光路走向依次设置的下聚光镜、长方形的积分柱、上聚光镜组合。
3.如权利要求2所述的用于背投影显示装置中的光学引擎,其特征在于:所述光学元件为X棱镜。
4.如权利要求1所述的用于背投影显示装置中的光学引擎,其特征在于:所述光源系统包括两组单色LED发光芯片;
聚光合光系统包括两个分别与该两组单色LED发光芯片一一对应的聚光透镜阵列,以及将每个聚光透镜阵列发射过来的光束进行聚合的光学元件;
照明系统包括沿光路走向依次设置的下聚光镜组合二、长方形的积分柱、上聚光镜组合二。
5.如权利要求4所述的用于背投影显示装置中的光学引擎,其特征在于:所述光学元件为二色镜。
6.如权利要求1所述的用于背投影显示装置中的光学引擎,其特征在于:所述光源系统包括三组单色LED发光芯片;
聚光合光系统包括三个分别与该三组单色LED发光芯片一一对应的聚光镜,以及将每个聚光镜发射过来的光束进行聚合的光学元件;
照明系统包括沿光路走向依次设置的两个复眼透镜阵列、偏振光转换器光学元件、聚光镜三。
7.如权利要求6所述的用于背投影显示装置中的光学引擎,其特征在于:所述光学元件为X棱镜。
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EXPY | Termination of patent right or utility model |