基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于投影顯示【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)。其特征在于：照明光源發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)錐形光棒的勻光和預(yù)準(zhǔn)直后被準(zhǔn)直透鏡組再準(zhǔn)直，勻光準(zhǔn)直后的光束經(jīng)偏振光轉(zhuǎn)換器后從非偏振光轉(zhuǎn)換成一種偏振態(tài)的偏振光，經(jīng)后續(xù)的中繼透鏡組和PBS棱鏡被收集傳遞至微顯示芯片表面并形成均勻的準(zhǔn)直照明，微顯示芯片上的圖像再經(jīng)過(guò)投影物鏡放大成像在屏幕上。本實(shí)用新型照明光源發(fā)出的光束在進(jìn)入PBS棱鏡前便已經(jīng)轉(zhuǎn)換為同一偏振態(tài)的偏振光，從而將另一偏振態(tài)的偏振光也再次利用起來(lái)，避免了傳統(tǒng)液晶類(lèi)型的微型光引擎照明系統(tǒng)中的光束進(jìn)入PBS棱鏡后有近一半的另一偏振態(tài)的光被浪費(fèi)掉的情況。
【專利說(shuō)明】基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于投影顯示【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]投影技術(shù)發(fā)源于19世紀(jì)早期，是在19世紀(jì)末20世紀(jì)初電影的實(shí)用新型和流行的基礎(chǔ)上推廣開(kāi)來(lái)的。目前，微顯示芯片的投影顯示技術(shù)的出現(xiàn)，使得小型化和高分辨率的投影顯示成為可能?；谖@示芯片的投影顯示技術(shù)是將對(duì)角線尺寸為0.20-0.60英寸的微顯示芯片所產(chǎn)生的圖像放大后投影在屏幕上。它結(jié)合了光學(xué)和成熟的半導(dǎo)體技術(shù)，是一種性價(jià)比高的實(shí)現(xiàn)大尺寸高分辨率顯示的途徑。
[0003]對(duì)于當(dāng)前的微型投影光引擎而言，要保持較低成本，液晶類(lèi)型(LCoS及LCD)的微型投影光引擎是很好的選擇，但在這類(lèi)型光引擎中有一半左右的偏振光無(wú)法被利用，光引擎的亮度是制約其應(yīng)用范圍的最大障礙。因此，如何解決液晶類(lèi)型微型投影光引擎的光效率問(wèn)題就顯得至關(guān)重要。
[0004]目前，提高微型投影光引擎效率的方法是應(yīng)用復(fù)眼PCS(偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng))、偏振干涉濾光片及高分子偏振光轉(zhuǎn)換膜等。具體專利:專利1:CN 101782688 A ;專利2:CN102141723 A ;專利 3:CN 103293843 A ;專利 4:CN 102998884 A ;專利 5:CN 202583680 U ；專利6:CN 102314066 A。但應(yīng)用偏振干涉濾光片及高分子偏振光轉(zhuǎn)換膜等方法的微型光引擎往往存在光效率不夠高問(wèn)題，而在照明系統(tǒng)中應(yīng)用復(fù)眼偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方法的微型光引擎，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的同時(shí)增大了加工制作難度。尤其是復(fù)眼和偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它們的單元尺寸會(huì)隨著微顯示芯片尺寸的減小而減少至1_以下，這就大幅度增加了光學(xué)元件的加工及制作難度和成本，極不利于微型光學(xué)引擎的小型化設(shè)計(jì)、批量及規(guī)?；a(chǎn)。
[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本實(shí)用新型的目的是提出一種高亮度、高均勻度、高對(duì)比度，高清晰度，照明光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低，可適合規(guī)?；a(chǎn)的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)的技術(shù)方案。
[0007]所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于:沿光線傳播方向依次設(shè)置照明光源、錐形光棒、準(zhǔn)直透鏡組、偏振光轉(zhuǎn)換器、中繼透鏡組、PBS棱鏡、微顯示芯片、以及投影物鏡，照明光源發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)錐形光棒的勻光和預(yù)準(zhǔn)直后被準(zhǔn)直透鏡組再準(zhǔn)直，勻光準(zhǔn)直后的光束經(jīng)偏振光轉(zhuǎn)換器后從非偏振光轉(zhuǎn)換成一種偏振態(tài)的偏振光，經(jīng)后續(xù)的中繼透鏡組和PBS棱鏡被收集傳遞至微顯示芯片表面并形成均勻的準(zhǔn)直照明，微顯示芯片上的圖像再經(jīng)過(guò)投影物鏡放大成像在屏幕上。
[0008]所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的錐形光棒為錐形，其截面為矩形或五邊形，且錐形光棒出射端端面面積大于等于入射端端面面積，錐形光棒為實(shí)心或空心，實(shí)心錐形光棒材料為玻璃或塑料，空心錐形光棒內(nèi)表面鍍膜來(lái)實(shí)現(xiàn)光棒內(nèi)的全反射，膜層采用電子束蒸發(fā)的方法進(jìn)行鍍制并利用光控與石英晶體震蕩相結(jié)合的方法進(jìn)行膜層厚度控制或采用電鍍方法鍍制；所述的照明光源與錐形光棒的入射端端面緊貼或分開(kāi)，或照明光源埋入錐形光棒入射端端面內(nèi)一定深度。
[0009]所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的錐形光棒出射端端面與準(zhǔn)直透鏡組的第一片透鏡分開(kāi)一定的距離，準(zhǔn)直透鏡組的第一片透鏡靠近錐形光棒的光學(xué)面是平面；或者錐形光棒的出射端端面與準(zhǔn)直透鏡組的第一片透鏡膠合在一起，準(zhǔn)直透鏡組的第一片透鏡的膠合光學(xué)面為平面；或者錐形光棒與準(zhǔn)直透鏡組的第一片透鏡都采用光學(xué)塑料材質(zhì)，二者合為一個(gè)零件注塑制成。
[0010]所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的照明光源發(fā)出的光束直接進(jìn)入錐形光棒，能夠在4_內(nèi)在錐形光棒的出射端端面形成均勻的發(fā)光面，該發(fā)光面依次經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組和中繼透鏡組放大成像在微顯示芯片上，放大倍率為中繼透鏡組與準(zhǔn)直透鏡組的焦距之比平方。
[0011 ] 所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于偏振光轉(zhuǎn)換器由一個(gè)次PBS棱鏡、一片反射鏡和一片半波片構(gòu)成；所述的中繼透鏡組的光軸與偏振光轉(zhuǎn)換器的中
心軸重合。
[0012]所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的半波片設(shè)置在次PBS棱鏡右側(cè)，非偏振的準(zhǔn)直光束入射到偏振光轉(zhuǎn)換器的次PBS棱鏡上，被分成兩束偏振光，即P偏振態(tài)光和S偏振態(tài)光,其中S偏振態(tài)光被反射鏡反射后出射,仍然是S偏振態(tài)光，P偏振態(tài)光直接穿過(guò)半波片被轉(zhuǎn)換成S偏振態(tài)光，即非偏振的入射光束經(jīng)過(guò)偏振光轉(zhuǎn)換器后的偏振態(tài)被轉(zhuǎn)換成同一 S偏振態(tài)。
[0013]所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的半波片設(shè)置在反射鏡右側(cè)，非偏振的準(zhǔn)直光束入射到偏振光轉(zhuǎn)換器的次PBS棱鏡上,被分成兩束偏振光，即P偏振態(tài)光和S偏振態(tài)光，其中S偏振態(tài)光被反射鏡反射后穿過(guò)半波片出射，轉(zhuǎn)換為P偏振態(tài)光，P偏振態(tài)光未經(jīng)轉(zhuǎn)換直接出射，即非偏振的入射光束經(jīng)過(guò)偏振光轉(zhuǎn)換器后的偏振態(tài)被轉(zhuǎn)換成同一 P偏振態(tài)。
[0014]所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的反射鏡能夠替換為直角棱鏡、PBS棱鏡或線偏振光柵，所述的次PBS棱鏡能夠替換為線偏振光柵；所述的反射鏡替換為棱鏡時(shí)，棱鏡的斜面鍍制反射膜以增強(qiáng)反射能力，膜層采用電子束蒸發(fā)的方法進(jìn)行鍍制或用電鍍方法鍍制，采用電子束蒸發(fā)的方法進(jìn)行鍍制時(shí)利用光控與石英晶體震蕩相結(jié)合的方法進(jìn)行膜層厚度控制。
[0015]所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的中繼透鏡組的最后一片透鏡與PBS棱鏡之間保持一定的5mm的間距；或者中繼透鏡組的最后一片透鏡和PBS棱鏡膠合在一起，且中繼透鏡組的最后一片透鏡近PBS棱鏡的光學(xué)面為平面；或者中繼透鏡組的最后一片透鏡和PBS棱鏡采用同樣的材料制成一個(gè)部件；在中繼透鏡組和PBS棱鏡之間能夠設(shè)置偏振片、或1/4波片和反射偏振片組成的偏振元件、或?yàn)V光片，以調(diào)整微型投影光學(xué)引擎的對(duì)比度和顏色顯示范圍。
[0016]所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的微顯示芯片為彩色型或非彩色型；微顯示芯片為彩色型，即微顯示芯片上的顯示單元中包含了紅、綠、藍(lán)多種像素，當(dāng)彩色型微顯示芯片被白光光束照明時(shí)，通過(guò)電路控制微顯示芯片各個(gè)顯示單元的顏色，微顯示芯片上的彩色圖像經(jīng)過(guò)投影物鏡可以在屏幕上投出彩色圖像；微顯示芯片為非彩色型，通過(guò)協(xié)同彩色光束時(shí)序切換以及微顯示芯片的時(shí)序圖像顯示，不同時(shí)刻微顯示芯片上的不同顏色圖像經(jīng)過(guò)投影物鏡后，在屏幕上可以投影成不同顏色圖像。
[0017]本實(shí)用新型照明光源發(fā)出的光束在進(jìn)入PBS棱鏡前便已經(jīng)轉(zhuǎn)換為同一偏振態(tài)的偏振光，從而將另一偏振態(tài)的偏振光也再次利用起來(lái)，避免了傳統(tǒng)液晶類(lèi)型的微型光引擎照明系統(tǒng)中的光束進(jìn)入PBS棱鏡后有近一半的另一偏振態(tài)的光被浪費(fèi)掉的情況。同時(shí),在基本不增加照明系統(tǒng)厚度和成本的情況下大大地提高了照明光的效率，可獲得更高亮度的均勻照明光斑，可以有效解決傳統(tǒng)偏振光復(fù)用方法應(yīng)用于微型投影光引擎中存在的加工難度大、系統(tǒng)成本高和光學(xué)效率不高等問(wèn)題。相較于傳統(tǒng)的應(yīng)用復(fù)眼偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方法的光引擎，不論是在系統(tǒng)成本，還是加工工藝方面均存在有明顯優(yōu)勢(shì)。該基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，具有體積小、高亮度、高均勻度、高對(duì)比度、高清晰度的特點(diǎn)，同時(shí)照明光路簡(jiǎn)單，制作成本低，尺寸小，組裝方便，方便于規(guī)?；a(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為基于偏振光復(fù)用的照明系統(tǒng)光學(xué)原理圖；
[0019]圖2為照明光源與錐形光棒相貼的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為照明光源與錐形光棒相分離的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4為照明光源埋入錐形光棒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5錐形光棒與準(zhǔn)直透鏡組之間分開(kāi)一定距離的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6為錐形光棒的出射端面與準(zhǔn)直透鏡組的第一片透鏡膠合在一起的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖7為偏振光轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)不意圖一；
[0025]圖8為偏振光轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖二 ；
[0026]圖9為偏振光轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖三；
[0027]圖10為偏振光轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖四；
[0028]圖11為采用單顆白光光源來(lái)照明的一種基于S偏振態(tài)偏振光復(fù)用的反射式LCoS/LCD微型光學(xué)引擎系統(tǒng)；
[0029]圖12為采用單顆白光光源來(lái)照明的一種基于P偏振態(tài)偏振光復(fù)用的反射式LCoS/LCD微型光學(xué)引擎系統(tǒng)；
[0030]圖13為采用單顆白光光源來(lái)照明的一種基于S偏振態(tài)偏振光復(fù)用的透射式LCD微型光學(xué)引擎系統(tǒng)；
[0031]圖14為采用紅、綠、藍(lán)三顆單色光源來(lái)照明的一種基于P偏振態(tài)偏振光復(fù)用的反射式LCoS/LCD微型光學(xué)引擎系統(tǒng)；
[0032]圖15為采用紅、綠、藍(lán)三顆單色光源來(lái)照明的一種基于P偏振態(tài)偏振光復(fù)用的反射式LCoS/LCD微型光學(xué)引擎系統(tǒng)；
[0033]圖中:1-照明光源，2-錐形光棒，3-準(zhǔn)直透鏡組，4-偏振光轉(zhuǎn)換器，5-中繼透鏡組，6- PBS棱鏡，7-微顯示芯片，8-投影物鏡，9-X-Cube合色棱鏡，411-次PBS棱鏡，412-線偏振光柵，421-反射鏡，422-直角棱鏡，43-半波片，91-第一合色片，92-第二合色片?！揪唧w實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0035]與傳統(tǒng)的投影光引擎相比，微型投影光引擎在考慮光效率問(wèn)題的同時(shí)，還需要保持緊湊的尺寸以及較低的成本。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型提出一種高亮度、高對(duì)比度、高清晰度、照明光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本較低、可適合規(guī)?；a(chǎn)的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)。
[0036]照明光源I發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)錐形光棒2的勻光和預(yù)準(zhǔn)直后，被準(zhǔn)直透鏡組3進(jìn)一步準(zhǔn)直，勻光準(zhǔn)直后的出射光束經(jīng)偏振光轉(zhuǎn)換器4后從非偏振光轉(zhuǎn)換成一個(gè)偏振態(tài)的偏振光，經(jīng)后續(xù)的中繼透鏡組5和PBS棱鏡6被收集并傳遞至微顯示芯片7的表面，形成均勻的準(zhǔn)直照明；微顯示芯片7上的圖像再經(jīng)過(guò)投影物鏡8投影成像在屏幕上。
[0037]照明光源I可以是LED、UHP燈、鹵素?zé)?、激光光源或其它光源。照明光源的?shù)目可以為I個(gè)或多個(gè)光源。當(dāng)為多個(gè)光源時(shí)，各個(gè)光源各自勻光準(zhǔn)直后經(jīng)過(guò)合色器件合光，再經(jīng)過(guò)偏振光轉(zhuǎn)換器4及后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)。
[0038]錐形光棒2可以是實(shí)心，也可以是空心的，實(shí)心錐形光棒材料為玻璃或塑料；空心錐形光棒內(nèi)表面可以鍍膜來(lái)實(shí)現(xiàn)光棒內(nèi)的全反射，膜層可采用電子束蒸發(fā)的方法進(jìn)行鍍制并利用光控與石英晶體震蕩相結(jié)合的方法進(jìn)行膜層厚度控制，也可以用電鍍方法鍍制。照明光源發(fā)出的光束直接耦合進(jìn)入錐形光棒內(nèi)，耦合效率可以達(dá)到90%以上。光束經(jīng)過(guò)較短長(zhǎng)度的錐形光棒內(nèi)多次反射勻光后即可以在出射端面形成均勻的照明光斑，消除了光源自身可能帶有的缺陷，同時(shí)也完成了對(duì)入射光的預(yù)準(zhǔn)直。
[0039]照明光源I可以緊靠錐形光棒2入射端面，也可以隔開(kāi)一定的距離或者埋入錐形光棒內(nèi)一定距離。
[0040]錐形光棒2的出射端端面與準(zhǔn)直透鏡組的第一片透鏡之間可以有一定的間距，如3_，也可以膠合在一起，甚至合成一個(gè)零件用注塑的辦法生產(chǎn)，減少膠合帶來(lái)的麻煩。當(dāng)錐形光棒2與準(zhǔn)直透鏡組3的第一片透鏡膠合在一起時(shí)，準(zhǔn)直透鏡組的第一片透鏡靠近錐形光棒的光學(xué)面可以是平面也可以是其它形式的光學(xué)面；當(dāng)錐形光棒與準(zhǔn)直透鏡組的第一片透鏡膠合在一起時(shí)，準(zhǔn)直透鏡組的第一片透鏡靠近錐形光棒的光學(xué)面為平面。
[0041]錐形光棒2出射端形成的均勻發(fā)光面，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組3和中繼透鏡組5組成的放大系統(tǒng)放大成像于微顯示芯片7上，放大倍率為中繼透鏡組5與準(zhǔn)直透鏡組3的焦距之比，在實(shí)現(xiàn)錐形光棒出射端面形狀與微顯示芯片照明區(qū)域形狀匹配的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了照明區(qū)域?qū)φ彰鞴馐M(jìn)行準(zhǔn)直的需要。在這個(gè)放大系統(tǒng)中，偏振光轉(zhuǎn)換器和PBS棱鏡不影響放大系統(tǒng)的放大倍率，分別僅起到偏振轉(zhuǎn)換和偏振分束的作用，但它們引入的像差需要準(zhǔn)直透鏡組和中繼透鏡組組成的放大系統(tǒng)進(jìn)行校正。
[0042]偏振光轉(zhuǎn)換器4可以由一個(gè)次PBS棱鏡411、一片反射鏡421和一片半波片43構(gòu)成，半波片靠近次PBS棱鏡放置時(shí)，非偏振的準(zhǔn)直光束入射到偏振光轉(zhuǎn)換器的次PBS棱鏡上，被分成二束偏振光，即P偏振態(tài)光和S偏振態(tài)光，其中S偏振態(tài)光被反射鏡反射后出射，仍然是S偏振態(tài)光；P偏振態(tài)光經(jīng)半波片被轉(zhuǎn)換成S偏振態(tài)光。即入射光束經(jīng)過(guò)偏振光轉(zhuǎn)換器后的偏振態(tài)被轉(zhuǎn)換成S偏振態(tài)，可以全部被后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)所利用，從而達(dá)到偏振光復(fù)用的目的；半波片靠近反射鏡放置時(shí)，非偏振的準(zhǔn)直光束入射到偏振光轉(zhuǎn)換器的次PBS棱鏡上，分成二束偏振光，即P偏振態(tài)光和S偏振態(tài)光,其中S偏振態(tài)光被反射鏡反射后經(jīng)過(guò)半波片出射，轉(zhuǎn)換為P偏振態(tài)光；p偏振態(tài)光經(jīng)未經(jīng)轉(zhuǎn)換直接出射。即非偏振的準(zhǔn)直光束經(jīng)過(guò)偏振光轉(zhuǎn)換器后的偏振態(tài)被全部轉(zhuǎn)換成P偏振態(tài)。
[0043]偏振光轉(zhuǎn)換器4中，反射鏡可用棱鏡或PBS棱鏡等同替換。使用棱鏡時(shí)，棱鏡的斜面可以鍍制反射膜以增強(qiáng)反射能力，膜層可采用電子束蒸發(fā)的方法進(jìn)行鍍制，利用光控與石英晶體震蕩相結(jié)合的方法進(jìn)行膜層厚度控制，也可以用電鍍方法鍍制；棱鏡的斜面也可以與平面反射鏡膠合，以實(shí)現(xiàn)反射率增強(qiáng)。
[0044]偏振光轉(zhuǎn)換器4中，次PBS棱鏡和反射鏡也可以用線偏振光柵等同替換。
[0045]PBS棱鏡6可以用線偏振光柵進(jìn)行等同替換。
[0046]由于經(jīng)過(guò)偏振光轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)直光束口徑在光引擎的寬度方向上增加一倍，中繼透鏡組的光軸需要在光引擎的寬度方向上平移，以保持與偏振光轉(zhuǎn)換器的中心軸重合。在光引擎的厚度方向上，準(zhǔn)直光束的口徑在經(jīng)過(guò)偏振光轉(zhuǎn)換器前后沒(méi)有明顯變化，因而不影響整個(gè)微型光引擎的系統(tǒng)厚度。
[0047]中繼透鏡組5的最后一片透鏡與PBS棱鏡6之間保持一定的間距(如5mm),也可以與PBS棱鏡膠合。當(dāng)中繼透鏡組的最后一片透鏡與PBS棱鏡之間保持一定的間距時(shí)，中繼透鏡組的最后一片透鏡靠近PBS棱鏡的光學(xué)面為平面或其它光學(xué)面。中繼透鏡組的最后一片透鏡也可以和PBS棱鏡膠合在一起，此時(shí)中繼透鏡組的最后一片透鏡靠近PBS棱鏡的光學(xué)面為平面。當(dāng)中繼透鏡組的最后一片透鏡和PBS棱鏡的棱鏡材料一樣時(shí)，可以合成一個(gè)光學(xué)零件。
[0048]在中繼透鏡組5和PBS棱鏡6之間加入偏振片、或1/4波片和反射式偏振片組成的偏振元件、或?yàn)V光片，或者在PBS棱鏡和微顯示芯片之間加入1/4波片，或者在微顯示芯片和投影物鏡之間加入吸收式偏振片，以改善微型投影光學(xué)引擎的對(duì)比度和顏色顯示范圍。
[0049]微顯示芯片7可以為透射式IXD，也可以是反射式LCoS和反射式IXD。微顯示芯片可以是彩色型的，即微顯示芯片上的顯示單元中包含了紅、綠、藍(lán)等多種像素。當(dāng)彩色型微顯示芯片被白光光束照明時(shí)，通過(guò)電路控制微顯示芯片各個(gè)顯示單元的顏色，微顯示芯片上的彩色圖像經(jīng)過(guò)投影物鏡可以在屏幕上投出彩色圖像。
[0050]微顯示芯片可以是非彩色型的。通過(guò)協(xié)同彩色光束時(shí)序切換以及微顯示芯片的時(shí)序圖像顯示，不同時(shí)刻微顯示芯片上的不同顏色圖像經(jīng)過(guò)投影物鏡后，在屏幕上可以投影成不同顏色圖像。利用人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，即可以形成彩色圖像的視覺(jué)效果。彩色光束可以通過(guò)色輪對(duì)白光進(jìn)行分光獲得，也可以通過(guò)合光模組對(duì)彩色光源合光得到。
[0051]與現(xiàn)有應(yīng)用偏振光復(fù)用技術(shù)的光學(xué)引擎相比，本實(shí)用新型公開(kāi)的基于偏振光復(fù)用的微型光引擎系統(tǒng)沒(méi)有使用PCS (偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng))，僅增加了錐形光棒、次PBS棱鏡、反射鏡和半波片四個(gè)元件，不存在加工制作的難度以及成本高問(wèn)題，并且光引擎的厚度沒(méi)有增加。整個(gè)微型光學(xué)引擎系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小巧緊湊，制造成本低，同時(shí)具有高光效率、高均勻性和高對(duì)比度的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)輻射，綠色環(huán)保，適合于規(guī)?；a(chǎn)。
[0052]圖1所示為基于偏振光復(fù)用的照明系統(tǒng)光路原理圖。照明光源I發(fā)出的非偏振光束依次經(jīng)過(guò)錐形光棒2的勻光和預(yù)準(zhǔn)直、準(zhǔn)直透鏡組3的進(jìn)一步準(zhǔn)直后，經(jīng)偏振光轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換成同一偏振態(tài)的偏振光，最后通過(guò)中繼透鏡組5被傳遞收集在微顯示芯片7上。錐形光棒2的作用除了對(duì)光源進(jìn)行預(yù)準(zhǔn)直外，還在其出射端面上形成均勻的照明分布，減少光源自身不均勻性缺陷帶來(lái)的影響；準(zhǔn)直透鏡組3與中繼透鏡組5組成一個(gè)放大系統(tǒng)，將錐形光棒2的出射端面的照明放大傳遞至微型顯示芯片7表面，從而在微顯示芯片7上形成均勻的準(zhǔn)直照明。放大系統(tǒng)的放大倍率為中繼透鏡組與準(zhǔn)直透鏡組的焦距之比，同時(shí)微顯示芯片上所獲得的照明光束N.A.(數(shù)值孔徑)值從光棒出射端光束的N.A.縮減相應(yīng)的倍數(shù)。
[0053]圖2、3、4所示為照明光源I和錐形光棒2的三種位置關(guān)系示意圖。圖2所示，照明光源I與錐形光棒2相貼；圖3所示，照明光源I與錐形光棒2的入射端截面分開(kāi)一定距離。圖4所示，照明光源I埋入錐形光棒2內(nèi)一定距離。
[0054]圖5、6所示為所述的錐形光棒2與準(zhǔn)直透鏡組3的兩種位置關(guān)系示意圖。圖5所示，錐形光棒2與準(zhǔn)直透鏡組3之間分開(kāi)一定間距，如3mm。圖6所示為:錐形光棒2的出射端面與準(zhǔn)直透鏡組3的第一片透鏡膠合在一起，此時(shí)準(zhǔn)直透鏡組3的第一片透鏡膠合光學(xué)面為平面。當(dāng)錐形光棒2與準(zhǔn)直透鏡組3材料同為光學(xué)塑料時(shí)，圖6所示情況可以合為一個(gè)光學(xué)零件并通過(guò)注塑辦法進(jìn)行生產(chǎn)。
[0055]圖7、8、9、10所示分別為四種所述的偏振光轉(zhuǎn)換器具體結(jié)構(gòu)示意圖，一般位于準(zhǔn)直透鏡組的后焦面附近位置，但具體可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況優(yōu)化，其尺寸由從準(zhǔn)直透鏡組3的出射光束在偏振光轉(zhuǎn)換器上的照明口徑來(lái)決定。
[0056]其中，圖7所示的偏振光轉(zhuǎn)器4，包括一個(gè)次PBS棱鏡411、一片反射鏡421和一片半波片43。非偏振的準(zhǔn)直光束入射至次PBS棱鏡411，其P偏振態(tài)的光束透過(guò)次PBS棱鏡411后經(jīng)過(guò)半波片43轉(zhuǎn)換為S偏振態(tài)的出射光；而其S偏振態(tài)的光束經(jīng)過(guò)次PBS棱鏡411反射后再經(jīng)過(guò)反射鏡421反射而出射，仍保持S偏振態(tài)不變；整束照明光束經(jīng)轉(zhuǎn)換后都轉(zhuǎn)換成了 S偏振態(tài)的準(zhǔn)直光。
[0057]圖8所示為使用直角棱鏡422代替圖7中的反射鏡421，便于固定安裝。但使用反射鏡的好處在于有較低的成本，方便于大批量規(guī)模化的生產(chǎn)。直角棱鏡的斜面鍍反射膜，膜層可采用電子束蒸發(fā)的方法進(jìn)行鍍制，利用光控與石英晶體震蕩相結(jié)合的方法進(jìn)行膜層厚度控制，或采用電鍍方法鍍制；棱鏡的斜面也可以與平面反射鏡膠合，以實(shí)現(xiàn)反射率增強(qiáng)。
[0058]圖9所示為利用線偏振光柵412來(lái)代替圖7中的次PBS棱鏡411，達(dá)到同樣的偏振光復(fù)用效果。
[0059]圖10所示為將圖7中的半波片43靠近反射鏡421放置。非偏振的準(zhǔn)直光束入射到偏振光轉(zhuǎn)換器4的次PBS棱鏡411上，被分成P偏振態(tài)光和S偏振態(tài)二束光，其中S偏振態(tài)光被反射鏡421反射后經(jīng)過(guò)半波片43出射，轉(zhuǎn)換為P偏振態(tài)光；P偏振態(tài)光經(jīng)未經(jīng)轉(zhuǎn)換直接出射。即入射光束經(jīng)過(guò)偏振光轉(zhuǎn)換器4后的偏振態(tài)被轉(zhuǎn)換成P偏振態(tài)。
[0060]另外，對(duì)于圖7、8、9、10所示的四種結(jié)構(gòu)形式的偏振光轉(zhuǎn)換器，反射鏡421都可用線偏振光柵412或者次PBS棱鏡411等同替換；半波片可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇靠近次PBS棱鏡411放置或者靠近反射鏡421放置。
[0061]圖11所示為利用單顆白光光源來(lái)照明的一種基于S偏振態(tài)偏振光復(fù)用的反射式LCoS/ LCD微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，沿光線傳播方向依次設(shè)有:照明光源1、錐形光棒2、準(zhǔn)直透鏡組3、偏振光轉(zhuǎn)換器4、中繼透鏡組5、PBS棱鏡6、微顯示芯片7以及投影物鏡8。照明光源I可以采用LED、UHP燈、鹵素?zé)?、激光光源及其它光源。?duì)錐形光棒2選取合適的錐角及長(zhǎng)度，使得照明光源I發(fā)出的光在錐形光棒2內(nèi)較短的距離(如4_)經(jīng)多次反射，在錐形光棒2的出射端獲得均勻照明光斑，使得準(zhǔn)直透鏡組3后焦面上的光束的口徑以及角度調(diào)整到我們所需的范圍；在準(zhǔn)直透鏡組3的后焦面附近設(shè)置偏振光轉(zhuǎn)換器4，使得從照明光源I發(fā)出的光全部轉(zhuǎn)換為S偏振態(tài)的偏振光，達(dá)到偏振光復(fù)用的目的。照明光源I發(fā)出的光束在錐形光棒2的出射端面上形成均勻的照明分布，通過(guò)準(zhǔn)直透鏡組3和中繼透鏡組5組成的放大系統(tǒng)以一定比例放大成像于LCoS微顯示芯片7上，形成與LCoS微顯示芯片7相匹配的均勻照明光斑。該光斑將微顯示芯片的圖像照亮，然后通過(guò)PBS棱鏡6、投影物鏡8將該圖像投影到屏幕上。
[0062]圖12所示為利用單顆白光光源來(lái)照明的一種基于P偏振態(tài)偏振光復(fù)用的反射式LCoS/IXD微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，系統(tǒng)工作原理與圖11類(lèi)似，區(qū)別僅于圖12的LCoS微顯示芯片7米用P偏振態(tài)照明，偏振光轉(zhuǎn)換器4輸出P偏振光。
[0063]圖13所示為利用單顆白光光源來(lái)照明的一種基于S偏振態(tài)偏振光復(fù)用的透射式LCD微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，沿光線傳播方向依次設(shè)有:照明光源1、錐形光棒2、準(zhǔn)直透鏡組3、偏振光轉(zhuǎn)換器4、中繼透鏡組5、透射式IXD微顯示芯片7以及投影物鏡8。系統(tǒng)工作原理與圖11類(lèi)似，區(qū)別僅于圖13中的微顯示芯片7采用透射式的IXD，從中繼透鏡組5出射的光束不需要經(jīng)過(guò)PBS棱鏡6，而是直接入射到IXD 7表面。
[0064]圖14所示為采用紅、綠、藍(lán)三個(gè)單色光源來(lái)照明的基于P偏振態(tài)偏振光復(fù)用的反射式LCoS/LCD微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，沿光線傳播方向依次設(shè)有:照明光源1、錐形光棒2、準(zhǔn)直透鏡組3、X-Cube合色棱鏡9、偏振光轉(zhuǎn)換器4、中繼透鏡組5、PBS棱鏡6、反射式LCoS/LCD微顯示芯片7以及投影物鏡8。紅、綠、藍(lán)三顆單色照明光源I發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)各自對(duì)應(yīng)的錐形光棒及準(zhǔn)透鏡組勻光準(zhǔn)直，通過(guò)X-Cube合色棱鏡9合色，再經(jīng)過(guò)偏振光轉(zhuǎn)換器4、中繼透鏡組5和PBS棱鏡6到達(dá)反射式LCoS/IXD微顯示芯片7。與圖12系統(tǒng)工作原理類(lèi)似，差異僅于圖14系統(tǒng)使用了多顆單色光源，需要合色器件X-Cube合色棱鏡9進(jìn)行合色。
[0065]圖15所示系統(tǒng)工作原理與圖15類(lèi)似，三色光源使用第一合色片91和第二合色片92替換圖15中的X-Cube合色棱鏡9。
[0066]以上實(shí)施例，僅為說(shuō)明本專利的技術(shù)特征和可實(shí)施性，其目的在于使該領(lǐng)域的技術(shù)人員能了解本專利的內(nèi)容并予以實(shí)施，盡管已經(jīng)參考具體實(shí)施例對(duì)本專利作了描述，但是，不應(yīng)將這些描述理解為一種限制情形，對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來(lái)說(shuō)參考以上對(duì)本專利的描述顯然能夠作出對(duì)公開(kāi)實(shí)施例中的各種改進(jìn)以及本專利的另外實(shí)施例，凡依本專利的構(gòu)思所作出的變換，均屬于本專利的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于:沿光線傳播方向依次設(shè)置照明光源(I)、錐形光棒(2)、準(zhǔn)直透鏡組(3)、偏振光轉(zhuǎn)換器(4)、中繼透鏡組(5)、PBS棱鏡(6)、微顯示芯片(7)、以及投影物鏡(8)，照明光源(I)發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)錐形光棒(2)的勻光和預(yù)準(zhǔn)直后被準(zhǔn)直透鏡組(3)再準(zhǔn)直,勻光準(zhǔn)直后的光束經(jīng)偏振光轉(zhuǎn)換器(4)后從非偏振光轉(zhuǎn)換成一種偏振態(tài)的偏振光，經(jīng)后續(xù)的中繼透鏡組(5)和PBS棱鏡(6)被收集傳遞至微顯示芯片(7)表面并形成均勻的準(zhǔn)直照明，微顯示芯片(7)上的圖像再經(jīng)過(guò)投影物鏡(8)放大成像在屏幕上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的錐形光棒(2)為錐形，其截面為矩形或五邊形，且錐形光棒(2)出射端端面面積大于等于入射端端面面積，錐形光棒(2)為實(shí)心或空心，實(shí)心錐形光棒材料為玻璃或塑料；所述的照明光源(I)與錐形光棒(2 )的入射端端面緊貼或分開(kāi)，或照明光源(I)埋入錐形光棒(2 )入射端端面內(nèi)一定深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的錐形光棒(2)出射端端面與準(zhǔn)直透鏡組(3)的第一片透鏡分開(kāi)一定的距離，準(zhǔn)直透鏡組(3)的第一片透鏡靠近錐形光棒(2)的光學(xué)面是平面；或者錐形光棒(2)的出射端端面與準(zhǔn)直透鏡組(3)的第一片透鏡膠合在一起，準(zhǔn)直透鏡組(3)的第一片透鏡的膠合光學(xué)面為平面；或者錐形光棒(2)與準(zhǔn)直透鏡組(3)的第一片透鏡都采用光學(xué)塑料材質(zhì)，二者合為一個(gè)零件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的照明光源(I)發(fā)出的光束直接進(jìn)入錐形光棒(2)，能夠在4mm內(nèi)在錐形光棒(2)的出射端端面形成均勻的發(fā)光面，該發(fā)光面依次經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組(3)和中繼透鏡組(5)放大成像在微顯示芯片(7)上，放大倍率為中繼透鏡組(5)與準(zhǔn)直透鏡組(3)的焦距之比平方。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于偏振光轉(zhuǎn)換器(4)由一個(gè)次PBS棱鏡(411)、一片反射鏡(421)和一片半波片(43)構(gòu)成；所述的中繼透鏡組(5)的光軸與偏振光轉(zhuǎn)換器(4)的中心軸重合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的半波片(43 )設(shè)置在次PBS棱鏡(411)右側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的半波片(43)設(shè)置在反射鏡(421)右側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng),其特征在于所述的反射鏡(421)能夠替換為直角棱鏡、PBS棱鏡或線偏振光柵，所述的次PBS棱鏡(411)能夠替換為線偏振光柵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的中繼透鏡組(5)的最后一片透鏡與PBS棱鏡(6)之間保持一定的5mm的間距；或者中繼透鏡組(5)的最后一片透鏡和PBS棱鏡(6)膠合在一起，且中繼透鏡組(5)的最后一片透鏡近PBS棱鏡(6)的光學(xué)面為平面；或者中繼透鏡組(5)的最后一片透鏡和PBS棱鏡(6)采用同樣的材料制成一個(gè)部件；在中繼透鏡組(5)和PBS棱鏡(6)之間能夠設(shè)置偏振片、或1/4波片和反射偏振片組成的偏振元件、或?yàn)V光片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振光復(fù)用的微型光學(xué)引擎系統(tǒng)，其特征在于所述的微顯示芯片(7)為彩色型或非彩色型。
【文檔編號(hào)】G03B21/14GK203799125SQ201420127344
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】張文字, 張麗, 周建軍 申請(qǐng)人:浙江晶景光電有限公司