CN102243376A - 一种高光效高亮度的微型投影lcos光学引擎 - Google Patents

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吴少凡
王晓伟
郑熠
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Abstract

本发明涉及一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎，包括沿***成像光轴垂直方向依次排列的白光LED面光源模组、阵列透镜组合、滤光片组，偏振分光模块，偏振转换器，立方体PBS棱镜，场镜，LCOS光学芯片和沿***成像光轴方向的投影镜头组，所述白光LED面光源模组由抛物反光碗，白光LED阵列和菲涅尔透镜组合而成，所述阵列透镜组由阵列透镜和会聚透镜组成，所述偏振光模块由长方体PBS棱镜及放置于其侧面的全反射棱镜组成，通过偏振分光模块与立方体PBS棱镜将光效提升，本发明具有高光效、高亮度、工艺性好优点，适应批量生产。

Description

一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎
技术领域
本发明属于光学投影技术领域，具体涉及一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎。
技术背景
显示技术作为人机联系和信息传输的窗口已应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天、卫星遥感和医疗等各个方面，显示产业已经成为子信息工业的一大支柱产业。投影显示是指由平面图像信息控制光，利用光学***和投影空间把图像放大并显示在投影屏幕上的方法或装置。而随着随着经济技术的发展，市场的不断扩大，投影机向着高性能、集成化、便携式等方向发展。其中微型化的投影仪由于具有较小的体积重量且可以满足投影的基本功能，非常适合商务演示及个人消费领域的应用，是目前主流的投影机发展方向，具有广阔是市场前景。
LCOS光学引擎作为四种微型投影技术之一，其他三种为LCD、DLP和激光投影。相比较于这三种，LCOS具有价格低廉，投影性能优异的特点，为最有可能商业化的微型投影技术。从自主知识产权的角度分析，LCOS 技术是唯一未被跨国公司垄断的显示技术，因此我国科研院所和企业也投入了大量人力物力进行该技术领域的研究，以期获得自主知识产权，国家也在政策层面大力支持。
微投模组的投影性能主要取决于光通量（即亮度，单位为流明，lm），而在一定的体积和功耗下，光通量主要由两个因素决定，即LED 的发光效率和光学***效率。光学***效率方面，目前普遍在10%左右，但LCOS 技术的应用大大推动了光学效率的提高，目前LCOS 的效率比半年前提高了15%-20%。LED的发光效率随着单颗LED的亮度的提高成下降趋势，采用高亮度的LED其发光效率一般在100 lm/W以下，而随着功率的提高则带来高功耗和散热结构复杂化的问题，使得整体体积大大增加。
光学引擎的光学***效率同样影响和限制微型投影的投影性能，常用光学引擎的照明光束经PBS棱镜的分光作用，只有50%的光被分离进入LCOS芯片，这一步骤造成了整个光学***的效率大大降低。在一些光学引擎中也有对在PBS棱镜分出来的50%的光进行利用，但受限于PBS棱镜的立方体结构及光源出射光线空间上的对称性，使得这部分光能利用难以达到预期。
 
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种高光效、高亮度、结构简单、投影显示质量好、散热结构易于设计的微型投影光学引擎。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
     一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎，包括沿***成像光轴垂直方向依次排列的白光LED面光源模组、阵列透镜组合、滤光片组，偏振分光模块，偏振转换器，立方体PBS棱镜，场镜，LCOS光学芯片和沿***成像光轴方向的投影镜头组，所述白光LED面光源模组由抛物反光碗，白光LED阵列和菲涅尔透镜组合而成，所述阵列透镜组由阵列透镜和会聚透镜组成，所述偏振光模块由长方体PBS棱镜及放置于其侧面的全反射棱镜组成，其特征在于：所述全反射棱镜及两个PBS棱镜光轴方向均与成像光轴成45度。所述白光LED阵列的白光LED长宽排布数量比例为1:2。所述白光LED阵列放置于抛物反光碗底部。所述会聚透镜为压铸型非球面透镜。所述滤光片组的透过波长为0.39～0.76μm。所述长方体PBS棱镜的长宽高比为1:1:2。所述立方体PBS棱镜的长宽高比为1:1:1。所述立方体PBS棱镜与长方体PBS棱镜的体积比为2:1。所述场镜为平凸透镜。
本发明的原理为：
面光源模组产生的光线经过阵列透镜整形为近似于平行光的光线，光线通过滤波片滤波后进入长方体PBS棱镜，光束分为P光与S光，S光通过全反射棱镜反射入偏振转换器使之转换为P光，从而使入射光线大部分都能入射到LCOS芯片中，后再通过投影物镜透射出来，本***大大提高了整个***的光学***效率。
 
附图说明
图1是本发明的一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎结构示意图。
图2是本发明的一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎光学***的光路图。
图3为本发明的一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎白光LED面光源模组结构图。
图4为本发明的一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎中的长方体型PBS结构图。
 
具体实施方式
本发明一实施例如图1、2、3、4、5所示的一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎，包括白光LED面光源1、阵列透镜组合2和3、红外紫外滤光片4、长方体型PBS棱镜5、全反射棱镜6、偏振转换器7、立方体型PBS棱镜8、场镜9、LCOS光学芯片10及投影镜头组11。沿与***成像光轴垂直的一侧顺序排列白光LED面光源1、阵列透镜组合2和3、红外紫外滤光片4、长方体型PBS棱镜5及全反射棱镜6、偏振转换器7、立方体型PBS棱镜8，其中白光LED面光源1、阵列透镜组合组成光学引擎的照明***。全反射棱镜及两个PBS棱镜均与成像光轴成45度。照明***光轴与投影成像光轴成90度。其中立方体型PBS8、场镜9及LCOS芯片10为成像光路和照明光路的共用部分。
本实施例中，微型投影LCOS光学引擎光学***如图2所示，白光LED面光源21发出光束，白光LED面光源的结构如图3所示，整个面光源底座上的白光LED排列为1:2的长方形排列模式，本实施例中采用3行6列的排列方式，白光LED采用低功率LED，本实施例中采用0.06W白光LED，其发光效率为180lm/W,整个光学***LED功率约为1W，亮度为180 lm，充分发挥面光源和小功率LED的优势，面光源侧面图如图4所示，LED41发出的光线经过抛物反光碗42和改进型菲涅尔透镜43组合处理，形成发散角小于15°的近似平行光束。其中抛物反光碗镀有冷反光膜，可反射可见光，透过红外和紫外辐射，从而减少进入光学***的有害辐射量。这样的设计简化了传统会聚透镜组的结构，并利用了面光源的紧密排列特点，形成可以直接进入阵列透镜2的光束。阵列透镜组合由阵列透镜22和聚焦透镜23组成，由面光源发出的光线经过阵列透镜组处理，形成平行、颜色均匀的白光光束。
本实施例中，从阵列透镜组合出射的光束进入红外紫外滤光片24进行光线中红外和紫外线的二次吸收过滤，以消除紫外辐射对内部PBS膜和胶层的伤害及对成像的干扰。
经过红外紫外过滤的光束进入长方体型PBS棱镜25，长方体型PBS棱镜25如图5所示，整个棱镜长宽高比例为1:1:2，多层膜结构52与PBS棱镜成45°角，这种比例结构设计在保证分开P光和S光的同时，使得透过的P光截面为长宽比为2:1的长方形。反射的S光经过全反射棱镜26，进入偏振转换器27，转换成P光，偏振转换器27基于偏振干涉滤光片组合，可以实现宽波带偏振方向旋转，宽波范围为380nm~780nm，白光LED的波长在此范围内，故入射的S光全部转换为P光。从偏振转换器27出射的P光同样为长宽比为2：1的长方形光束，与前面长方体型PBS投射的P光组合为截面长宽比1:1的正方形光束。
在本实施例中，组合后的P光进入立方体型PBS棱镜28，全部透射进入场镜29。场镜29提高边缘光束入射到LCOS芯片210的能力，并使入射光线均匀化，扩大视场。P光从场镜29出射，进入LCOS芯片210进行处理，处理后的光线转换为S光，经过场镜29扩大视场，在立方体型PBS棱镜多层膜处全部反射进入投影镜头组211。投影镜头组211可通过投影镜头沿成像光路的光轴作前后移动调焦，保证在不同的距离处实现清晰成像。
在本实施例中，面光源功率约为1W，发出光束亮度180流明，且长方体型PBS棱镜反射的S光经过处理利用，整体提高了80%以上的光效，使得成像亮度达到30流明以上，且白光LED面光源功耗低，发热分散，整机的散热设计大大简化，达到本发明的目的，优于传统微型投影光学引擎，实现了高光效、高亮度、结构简单、投影显示质量好、散热结构易于设计的优势。

Claims (10)

1.一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎，包括沿***成像光轴垂直方向依次排列的白光LED面光源模组、阵列透镜组合、滤光片组、偏振分光模块、偏振转换器、立方体PBS棱镜、场镜、LCOS光学芯片和沿***成像光轴方向的投影镜头组，所述白光LED面光源模组由抛物反光碗、白光LED阵列和菲涅尔透镜组合而成，所述阵列透镜组由阵列透镜和会聚透镜组成，所述偏振光模块由长方体PBS棱镜及放置于其侧面的全反射棱镜组成，其特征在于：所述全反射棱镜及两个PBS棱镜光轴方向均与成像光轴成45度。
2.根据权利要求1所述一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎，其特征在于所述白光LED阵列的白光LED长宽排布数量比例为1:2。
3.根据权利要求1所述一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎，其特征在于所述白光LED阵列放置于抛物反光碗底部。
4.根据权利要求1所述一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎，其特征在于所述会聚透镜为压铸型非球面透镜。
5.根据权利要求1所述一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎，其特征在于所述滤光片组的透过波长为0.39～0.76μm。
6.根据权利要求1所述一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎，其特征在于所述长方体PBS棱镜的长宽高比为1:1:2。
7.根据权利要求1所述一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎，其特征在于所述立方体PBS棱镜的长宽高比为1:1:1。
8.根据权利要求1所述一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎，其特征在于所述立方体PBS棱镜与长方体PBS棱镜的相对面面积比为2:1。
9.根据权利要求1所述一种高光效高亮度的微型投影LCOS光学引擎，其特征在于所述全反射棱镜与长方体PBS棱镜的相对面面积比为2:1。
10.根据权利要求1所述一种高亮度微型投影LCOS光学引擎，其特征在于所述场镜为平凸透镜。
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