專利名稱：一種高光效高亮度的微型投影l(fā)cos光學(xué)引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)投影技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎。
背景技術(shù)：
顯示技術(shù)作為人機(jī)聯(lián)系和信息傳輸?shù)拇翱谝褢?yīng)用于娛樂(lè)、工業(yè)、軍事、交通、教育、 航空航天、衛(wèi)星遙感和醫(yī)療等各個(gè)方面，顯示產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為子信息工業(yè)的一大支柱產(chǎn)業(yè)。投影顯示是指由平面圖像信息控制光，利用光學(xué)系統(tǒng)和投影空間把圖像放大并顯示在投影屏幕上的方法或裝置。而隨著隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，投影機(jī)向著高性能、集成化、便攜式等方向發(fā)展。其中微型化的投影儀由于具有較小的體積重量且可以滿足投影的基本功能，非常適合商務(wù)演示及個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用，是目前主流的投影機(jī)發(fā)展方向，具有廣闊是市場(chǎng)前景。LCOS光學(xué)引擎作為四種微型投影技術(shù)之一，其他三種為IXD、DLP和激光投影。相比較于這三種，LCOS具有價(jià)格低廉，投影性能優(yōu)異的特點(diǎn)，為最有可能商業(yè)化的微型投影技術(shù)。從自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的角度分析，LCOS技術(shù)是唯一未被跨國(guó)公司壟斷的顯示技術(shù)，因此我國(guó)科研院所和企業(yè)也投入了大量人力物力進(jìn)行該技術(shù)領(lǐng)域的研究，以期獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，國(guó)家也在政策層面大力支持。微投模組的投影性能主要取決于光通量(即亮度，單位為流明，lm)，而在一定的體積和功耗下，光通量主要由兩個(gè)因素決定，即LED的發(fā)光效率和光學(xué)系統(tǒng)效率。光學(xué)系統(tǒng)效率方面，目前普遍在10%左右，但LCOS技術(shù)的應(yīng)用大大推動(dòng)了光學(xué)效率的提高，目前LCOS 的效率比半年前提高了 15%-20%。LED的發(fā)光效率隨著單顆LED的亮度的提高成下降趨勢(shì)， 采用高亮度的LED其發(fā)光效率一般在100 lm/ff以下，而隨著功率的提高則帶來(lái)高功耗和散熱結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的問(wèn)題，使得整體體積大大增加。光學(xué)引擎的光學(xué)系統(tǒng)效率同樣影響和限制微型投影的投影性能，常用光學(xué)引擎的照明光束經(jīng)PBS棱鏡的分光作用，只有50%的光被分離進(jìn)入LCOS芯片，這一步驟造成了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的效率大大降低。在一些光學(xué)引擎中也有對(duì)在PBS棱鏡分出來(lái)的50%的光進(jìn)行利用，但受限于PBS棱鏡的立方體結(jié)構(gòu)及光源出射光線空間上的對(duì)稱性，使得這部分光能利用難以達(dá)到預(yù)期。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種高光效、高亮度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投影顯示質(zhì)量好、散熱結(jié)構(gòu)易于設(shè)計(jì)的微型投影光學(xué)引擎。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎，包括沿系統(tǒng)成像光軸垂直方向依次排列的白光LED面光源模組、陣列透鏡組合、濾光片組，偏振分光模塊，偏振轉(zhuǎn)換器，立方體PBS棱鏡，場(chǎng)鏡，LCOS光學(xué)芯片和沿系統(tǒng)成像光軸方向的投影鏡頭組，所述白光LED面光源模組由拋物反光碗，白光LED陣列和菲涅爾透鏡組合而成，所述陣列透鏡組由陣列透鏡和會(huì)聚透鏡組成，所述偏振光模塊由長(zhǎng)方體PBS棱鏡及放置于其側(cè)面的全反射棱鏡組成， 其特征在于所述全反射棱鏡及兩個(gè)PBS棱鏡光軸方向均與成像光軸成45度。所述白光 LED陣列的白光LED長(zhǎng)寬排布數(shù)量比例為1:2。所述白光LED陣列放置于拋物反光碗底部。 所述會(huì)聚透鏡為壓鑄型非球面透鏡。所述濾光片組的透過(guò)波長(zhǎng)為0. 39 0. 76 μ m。所述長(zhǎng)方體PBS棱鏡的長(zhǎng)寬高比為1:1:2。所述立方體PBS棱鏡的長(zhǎng)寬高比為1:1:1。所述立方體PBS棱鏡與長(zhǎng)方體PBS棱鏡的體積比為2:1。所述場(chǎng)鏡為平凸透鏡。本發(fā)明的原理為
面光源模組產(chǎn)生的光線經(jīng)過(guò)陣列透鏡整形為近似于平行光的光線，光線通過(guò)濾波片濾波后進(jìn)入長(zhǎng)方體PBS棱鏡，光束分為P光與S光，S光通過(guò)全反射棱鏡反射入偏振轉(zhuǎn)換器使之轉(zhuǎn)換為P光，從而使入射光線大部分都能入射到LCOS芯片中，后再通過(guò)投影物鏡透射出來(lái)，本系統(tǒng)大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)效率。


圖1是本發(fā)明的一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎光學(xué)系統(tǒng)的光路圖。圖3為本發(fā)明的一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎白光LED面光源模組結(jié)構(gòu)圖。圖4為本發(fā)明的一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎中的長(zhǎng)方體型PBS 結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一實(shí)施例如圖1、2、3、4、5所示的一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎，包括白光LED面光源1、陣列透鏡組合2和3、紅外紫外濾光片4、長(zhǎng)方體型PBS棱鏡 5、全反射棱鏡6、偏振轉(zhuǎn)換器7、立方體型PBS棱鏡8、場(chǎng)鏡9、LC0S光學(xué)芯片10及投影鏡頭組11。沿與系統(tǒng)成像光軸垂直的一側(cè)順序排列白光LED面光源1、陣列透鏡組合2和3、紅外紫外濾光片4、長(zhǎng)方體型PBS棱鏡5及全反射棱鏡6、偏振轉(zhuǎn)換器7、立方體型PBS棱鏡8， 其中白光LED面光源1、陣列透鏡組合組成光學(xué)引擎的照明系統(tǒng)。全反射棱鏡及兩個(gè)PBS棱鏡均與成像光軸成45度。照明系統(tǒng)光軸與投影成像光軸成90度。其中立方體型PBS8、場(chǎng)鏡9及LCOS芯片10為成像光路和照明光路的共用部分。本實(shí)施例中，微型投影LCOS光學(xué)引擎光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示，白光LED面光源21發(fā)出光束，白光LED面光源的結(jié)構(gòu)如圖3所示，整個(gè)面光源底座上的白光LED排列為1 2的長(zhǎng)方形排列模式，本實(shí)施例中采用3行6列的排列方式，白光LED采用低功率LED，本實(shí)施例中采用0. 06W白光LED，其發(fā)光效率為1801m/W，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)LED功率約為1W，亮度為180 lm，充分發(fā)揮面光源和小功率LED的優(yōu)勢(shì)，面光源側(cè)面圖如圖4所示，LED41發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)拋物反光碗42和改進(jìn)型菲涅爾透鏡43組合處理，形成發(fā)散角小于15°的近似平行光束。其中拋物反光碗鍍有冷反光膜，可反射可見(jiàn)光，透過(guò)紅外和紫外輻射，從而減少進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的有害輻射量。這樣的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)會(huì)聚透鏡組的結(jié)構(gòu)，并利用了面光源的緊密排列特點(diǎn)，形成可以直接進(jìn)入陣列透鏡2的光束。陣列透鏡組合由陣列透鏡22和聚焦透鏡23 組成，由面光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)陣列透鏡組處理，形成平行、顏色均勻的白光光束。本實(shí)施例中，從陣列透鏡組合出射的光束進(jìn)入紅外紫外濾光片M進(jìn)行光線中紅外和紫外線的二次吸收過(guò)濾，以消除紫外輻射對(duì)內(nèi)部PBS膜和膠層的傷害及對(duì)成像的干擾。經(jīng)過(guò)紅外紫外過(guò)濾的光束進(jìn)入長(zhǎng)方體型PBS棱鏡25，長(zhǎng)方體型PBS棱鏡25如圖5 所示，整個(gè)棱鏡長(zhǎng)寬高比例為1:1:2，多層膜結(jié)構(gòu)52與PBS棱鏡成45°角，這種比例結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在保證分開(kāi)P光和S光的同時(shí)，使得透過(guò)的P光截面為長(zhǎng)寬比為2:1的長(zhǎng)方形。反射的 S光經(jīng)過(guò)全反射棱鏡沈，進(jìn)入偏振轉(zhuǎn)換器27，轉(zhuǎn)換成P光，偏振轉(zhuǎn)換器27基于偏振干涉濾光片組合，可以實(shí)現(xiàn)寬波帶偏振方向旋轉(zhuǎn)，寬波范圍為380rniT780nm，白光LED的波長(zhǎng)在此范圍內(nèi)，故入射的S光全部轉(zhuǎn)換為P光。從偏振轉(zhuǎn)換器27出射的P光同樣為長(zhǎng)寬比為2 1 的長(zhǎng)方形光束，與前面長(zhǎng)方體型PBS投射的P光組合為截面長(zhǎng)寬比1:1的正方形光束。在本實(shí)施例中，組合后的P光進(jìn)入立方體型PBS棱鏡觀，全部透射進(jìn)入場(chǎng)鏡29。場(chǎng)鏡四提高邊緣光束入射到LCOS芯片210的能力，并使入射光線均勻化，擴(kuò)大視場(chǎng)。P光從場(chǎng)鏡四出射，進(jìn)入LCOS芯片210進(jìn)行處理，處理后的光線轉(zhuǎn)換為S光，經(jīng)過(guò)場(chǎng)鏡四擴(kuò)大視場(chǎng)，在立方體型PBS棱鏡多層膜處全部反射進(jìn)入投影鏡頭組211。投影鏡頭組211可通過(guò)投影鏡頭沿成像光路的光軸作前后移動(dòng)調(diào)焦，保證在不同的距離處實(shí)現(xiàn)清晰成像。在本實(shí)施例中，面光源功率約為1W，發(fā)出光束亮度180流明，且長(zhǎng)方體型PBS棱鏡反射的S光經(jīng)過(guò)處理利用，整體提高了 80%以上的光效，使得成像亮度達(dá)到30流明以上，且白光LED面光源功耗低，發(fā)熱分散，整機(jī)的散熱設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，達(dá)到本發(fā)明的目的，優(yōu)于傳統(tǒng)微型投影光學(xué)引擎，實(shí)現(xiàn)了高光效、高亮度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投影顯示質(zhì)量好、散熱結(jié)構(gòu)易于設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求
1.一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎，包括沿系統(tǒng)成像光軸垂直方向依次排列的白光LED面光源模組、陣列透鏡組合、濾光片組、偏振分光模塊、偏振轉(zhuǎn)換器、立方體 PBS棱鏡、場(chǎng)鏡、LCOS光學(xué)芯片和沿系統(tǒng)成像光軸方向的投影鏡頭組，所述白光LED面光源模組由拋物反光碗、白光LED陣列和菲涅爾透鏡組合而成，所述陣列透鏡組由陣列透鏡和會(huì)聚透鏡組成，所述偏振光模塊由長(zhǎng)方體PBS棱鏡及放置于其側(cè)面的全反射棱鏡組成，其特征在于所述全反射棱鏡及兩個(gè)PBS棱鏡光軸方向均與成像光軸成45度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎，其特征在于所述白光LED陣列的白光LED長(zhǎng)寬排布數(shù)量比例為1:2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎，其特征在于所述白光LED陣列放置于拋物反光碗底部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎，其特征在于所述會(huì)聚透鏡為壓鑄型非球面透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎，其特征在于所述濾光片組的透過(guò)波長(zhǎng)為0. 39 0. 76 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎，其特征在于所述長(zhǎng)方體PBS棱鏡的長(zhǎng)寬高比為1:1:2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎，其特征在于所述立方體PBS棱鏡的長(zhǎng)寬高比為1:1:1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎，其特征在于所述立方體PBS棱鏡與長(zhǎng)方體PBS棱鏡的相對(duì)面面積比為2:1。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎，其特征在于所述全反射棱鏡與長(zhǎng)方體PBS棱鏡的相對(duì)面面積比為2:1。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高亮度微型投影LCOS光學(xué)引擎，其特征在于所述場(chǎng)鏡為平凸透鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高光效高亮度的微型投影LCOS光學(xué)引擎，包括沿系統(tǒng)成像光軸垂直方向依次排列的白光LED面光源模組、陣列透鏡組合、濾光片組，偏振分光模塊，偏振轉(zhuǎn)換器，立方體PBS棱鏡，場(chǎng)鏡，LCOS光學(xué)芯片和沿系統(tǒng)成像光軸方向的投影鏡頭組，所述白光LED面光源模組由拋物反光碗，白光LED陣列和菲涅爾透鏡組合而成，所述陣列透鏡組由陣列透鏡和會(huì)聚透鏡組成，所述偏振光模塊由長(zhǎng)方體PBS棱鏡及放置于其側(cè)面的全反射棱鏡組成，通過(guò)偏振分光模塊與立方體PBS棱鏡將光效提升，本發(fā)明具有高光效、高亮度、工藝性好優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G02B27/18GK102243376SQ20111016317
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者吳少凡, 王曉偉, 鄭熠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所