CN201266300Y - 单片式lcos小型投影机光学引擎 - Google Patents

Abstract

一种单片式LCOS小型投影机光学引擎，属光电照明和显示的技术领域，包含连在一起的单片式LED红光发光芯片、LED绿光发光芯片、LED蓝光发光芯片和收光棱柱棒、中继透镜及透反式三色合色棱镜组，安放在同一侧的三个通道的红、绿、蓝光经中继透镜和透反式三色合色棱镜组透射、反射后合色为白光出射，再经会聚透镜、反射镜偏转90°后通过偏振片、偏振棱镜反射到1/4波片和LCOS液晶板，并把LCOS液晶板的图像信号反射回偏振棱镜，经偏振棱镜和投影物镜投射到屏幕上。该***有结构紧凑、便于制作、制造成本低、***出射的白光合色均匀和光能量的利用率高的优点，特别适于用在小型LCOS投影机中作为光学引擎。

Description

单片式LCOS小型投影机光学引擎

技术领域

本实用新型涉及一种单片式LCOS小型投影机光学引擎，属光电照明和显示的技术领域。

背景技术

现有的单片式LCOS投影机光学引擎的光学***如图1所示，该***包含LED阵列红光芯片R、红光收集器001、红光积分透镜004、LED阵列绿光芯片G、绿光收集器002、绿光积分透镜005，LED阵列蓝光芯片B、蓝光收集器003、蓝光积分透镜006、X-合色棱镜007，偏振片008、偏振棱镜009、1/4波片010、LCOS液晶板011和投影镜头012，LED阵列芯片发出的红、绿、蓝三色光通过各自的收集器和积分透镜从三个方向投射到X-合色棱镜007并通过X-合色棱镜007的滤光膜f1、f2合成为白光，再经偏振片008、偏振棱镜009和1/4波片010照亮LCOS液晶板011，由LCOS液晶板011反射并经偏振转换的偏振光图像信号，再经偏振棱镜009的分光面和投影物镜投射到屏幕上。(详见“现代显示”杂志2006年12月总第70期的“用LED光源的单片式LCOS彩色投影机”—飞利浦美国研究中心。)

上述光学引擎存在以下缺点：

1、LED阵列芯片体积较大，收集器和积分透镜制作工艺复杂，要求高、体积大。

2、LED红、绿、蓝三色光从三个方向分别射入X-棱镜，所以结构分散，体积大。

3、在X-棱镜中，LED红、绿、蓝三色光都是以45°角分别射入各自对应的滤光膜f1、f2，这样大的入射角对滤光膜的制作带来很大的难度，滤光膜可应用相对孔径较小，尤其是对LED光源，更限制了大角度光线的光能量利用率。

4、X-棱镜由四个直角棱镜胶合而成，制作工艺要求高，成本高。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种单片式LCOS小型投影机光学引擎，该***有便于制作、制造成本低、***出射的白光合色均匀和光能量的利用率高的优点。

为实现上述目的，本实用新型采用以下的技术方案。该***包含连在一起的单片式LED红光发光芯片、LED绿光发光芯片、LED蓝光发光芯片和收光棱柱棒、中继透镜及透反式三色合色棱镜组，安放在同一侧的三个通道的红、绿、蓝光经中继透镜和透反式三色合色棱镜组透射、反射后合色为白光出射，再经会聚透镜、反射镜偏转90°后通过偏振片、偏振棱镜反射到1/4波片和LCOS液晶板，并把LCOS液晶板的图像信号反射回偏振棱镜，经偏振棱镜和投影物镜投射到屏幕上。

现详细说明本实用新型的技术方案。

一种单片式LCOS小型投影机光学引擎，含LED红光通道、LED绿光通道、LED蓝光通道、三色合色棱镜组、会聚透镜、反射镜、偏振片、偏振棱镜、1/4波片、LCOS液晶板和投影物镜，LED红光通道含LED红光发光芯片、红光棱柱棒、红光中继透镜，LED绿光通道含LED绿光发光芯片、绿光棱柱棒、绿光中继透镜，LED蓝光通道含LED蓝光发光芯片、蓝光棱柱棒、蓝光中继透镜，投影物镜、偏振棱镜、1/4波片和LCOS液晶板以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴与下述的三色合色棱镜组的中心光轴相互平行，第二会聚透镜、偏振片和偏振棱镜以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴与投影物镜的中心光轴垂直，其特征在于，LED红光发光芯片、红光棱柱棒、红光中继透镜以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴在第一直角棱镜的直角面A的中心处与第一直角棱镜的直角面A垂直，LED绿光发光芯片、绿光棱柱棒、绿光中继透镜以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴在第三直角棱镜的直角面B的中心处与第三直角棱镜的直角面B垂直，LED蓝光发光芯片、蓝光棱柱棒、蓝光中继透镜以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴在第五直角棱镜的直角面C的中心处与第五直角棱镜的直角面C垂直，三色合色棱镜组由五个大小相同的45°直角棱镜构成，其中第一直角棱镜的斜面上镀有第一分光膜，第三直角棱镜的斜面上镀有第二分光膜，第一分光膜是反射蓝光、透过绿光、红光的膜，第二分光膜是反射绿光、透过红光的膜，第二直角棱镜、第四直角棱镜、第五直角棱镜都不镀膜，第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面胶合，第三直角棱镜和第四直角棱镜的斜面胶合，第二直角棱镜和第三直角棱镜的直角面胶合，第四直角棱镜和第五直角棱镜的直角面胶合，第五直角棱镜、第四直角棱镜、第三直角棱镜、第二直角棱镜、第一直角棱镜以它们的中心光轴重合的方式依次排列，第一直角棱镜的A面、第三直角棱镜的B面和第五直角棱镜的C面位于同一平面，第五直角棱镜、第四直角棱镜、第三直角棱镜、第二直角棱镜和第一直角棱镜的中心光轴与第一会聚透镜的中心光轴重合，且与反射镜的反光面的夹角为45°，第二会聚透镜的中心光轴与反射镜的反光面的夹角为45°，第二会聚透镜的中心光轴与三色合色棱镜组的中心光轴垂直相交于反射镜的中心，六根中心光轴：LED红光、LED绿光和LED蓝光发光芯片的中心光轴，三色合色棱镜组的中心光轴，第二会聚透镜的中心光轴和投影物镜的中心光轴位于同一个平面。

本实用新型的进一步特征是用平面反射镜代替三色合色棱镜组中的第五直角棱镜，平面反射镜和三色合色棱镜的光轴交角为45°。

本实用新型的进一步特征是用第一分光片代替三色合色棱镜组中的第一直角棱镜、第二直角棱镜，用第二分光片代替三色合色棱镜组中的第三直角棱镜、第四直角棱镜，第一分光片和第二分光片与它们的中心光轴的交角均为45°。

与背景技术相比，本实用新型的优点是：

1、安置在同一侧的LED红光通道、绿光通道、蓝光通道的光轴相互平行且和三色合色棱镜组的光轴、投影物镜的光轴相垂直，结构紧凑。

2、LED红、蓝、绿三色光都能以小于45°的角度分别入射到三色合色棱镜组，有助于降低分光膜制作难度，提高分光膜的相对孔径，合光效率高。

3、LED红光发光芯片、绿光发光芯片、蓝光发光芯片排列在一起可以共用一组散热片，散热效果好，有利于性能稳定。

4、三色合色棱镜组的镀膜和生产工艺较简单，同时装配调试较方便。

5、整个投影机光学引擎***的体积小，有利于产品小型化。

附图说明

图1是用LED光源的单片式LCOS彩色投影机光学引擎的结构示意图。

图2是单片式LCOS小型投影机光学引擎的光学***实体图。图中：1是蓝光LED发光芯片，2是绿光LED发光芯片，3是红光LED发光芯片，4是蓝光棱柱棒，5是绿光棱柱棒，6是红光棱柱棒，7是蓝光中继透镜，8是绿光中继透镜，9是红光中继透镜，10是三色合色棱镜组，101是第一直角棱镜，102是第二直角棱镜，103是第三直角棱镜，104是第四直角棱镜，105是第五直角棱镜，11是会聚透镜，12是反射镜，13是偏振片，14是偏振棱镜，15是1/4波片，16是LCOS液晶板，17是投影物镜。

图3是实施例2的LED红、绿、蓝三色光合色***的结构示意图。图中：1051是平面反射镜，其上镀有对红光全反射的高反膜，平面反射镜1051和第四直角棱镜104、第三直角棱镜103、第二直角棱镜102、第一直角棱镜101的的光轴交角为45°。

图4是实施例3的LED红、绿、蓝三色光合色***的结构示意图。图中：1011是第一分光片，其上镀有反射蓝光、透过绿光、红光的分光膜，1031是第二分光片，其上镀有反射绿光、透过红光的分光膜，第一分光片1011和第二分光片1031与第五直角棱镜105的中心光轴的交角均为45°。

具体实施方式

现结合附图和实施例详细说明本实用新型技术方案和工作原理。

实施例1

一种单片式LCOS小型投影机光学引擎，含LED红光通道、LED绿光通道、LED蓝光通道、三色合色棱镜组10、会聚透镜11、反射镜12、偏振片13、偏振棱镜14、1/4波片15、LCOS液晶板16和投影物镜17，LED红光通道含LED红光发光芯片3、红光棱柱棒6、红光中继透镜9，LED绿光通道含LED绿光发光芯片2、绿光棱柱棒5、绿光中继透镜8，LED蓝光通道含LED蓝光发光芯片1、蓝光棱柱棒4、蓝光中继透镜7，投影物镜17、偏振棱镜14、1/4波片15和LCOS液晶板16以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴与下述的三色合色棱镜组的中心光轴相互平行，第二会聚透镜11b、偏振片13和偏振棱镜14以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴与投影物镜17的中心光轴垂直，其特征在于，LED红光发光芯片3、红光棱柱棒6、红光中继透镜9以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴在第五直角棱镜105的直角面C的中心处与第五直角棱镜105的直角面C垂直，LED绿光发光芯片2、绿光棱柱棒5、绿光中继透镜8以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴在第三直角棱镜103的直角面B的中心处与第三直角棱镜103的直角面B垂直，LED蓝光发光芯片1、蓝光棱柱棒4、蓝光中继透镜7以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴在第一直角棱镜101的直角面A的中心处与第一直角棱镜101的直角面A垂直，三色合色棱镜组10由五个大小相同的45°直角棱镜构成，其中第一直角棱镜101的斜面上镀有第一分光膜，第三直角棱镜103的斜面上镀有第二分光膜，第一分光膜是反射蓝光、透过绿光、红光的膜，第二分光膜是反射绿光、透过红光的膜，第二直角棱镜102、第四直角棱镜104、第五直角棱镜105都不镀膜，第一直角棱镜101和第二直角棱镜102的斜面胶合，第三直角棱镜103和第四直角棱镜104的斜面胶合，第二直角棱镜102和第三直角棱镜103的直角面胶合，第四直角棱镜104和第五直角棱镜105的直角面C胶合，第五直角棱镜105、第四直角棱镜104、第三直角棱镜103、第二直角棱镜102、第一直角棱镜101以它们的中心光轴重合的方式依次排列，第一直角棱镜101的直角面A、第三直角棱镜103的直角面B和第五直角棱镜105的直角面C位于同一平面，第五直角棱镜105、第四直角棱镜104、第三直角棱镜103、第二直角棱镜102和第一直角棱镜101的中心光轴与第一会聚透镜11a的中心光轴重合，且与反射镜12的反光面的夹角为45°，第二会聚透镜11b的中心光轴与反射镜12的反光面的夹角为45°，第二会聚透镜11b的中心光轴与三色合色棱镜组10的中心光轴垂直相交于反射镜12的中心，六根中心光轴：LED红光发光芯片3、LED绿光发光芯片2和LED蓝光发光芯片1的中心光轴，三色合色棱镜组10的中心光轴，第二会聚透镜11b的中心光轴和投影物镜17的中心光轴位于同一个平面。

工作原理：该实施例是一种单片式LCOS小型投影机光学引擎，具有与图2所示的结构完全相同的结构。在红光照明的通道中，红光LED发光芯片3发出的红光以一定的发散角进入到能够压缩光线发散角的红光棱柱棒6、红光中继透镜9进入到三色合色棱镜组10的第五直角棱镜105并在第五直角棱镜105的斜面上反射，红光反射后透过第四、第三、第二、第一直角棱镜(104、103、102、101)及其第二、第一分光膜从第一直角棱镜101的直角面出射，在绿光照明的通道中，绿光LED发光芯片2发出的绿光以一定的发散角进入到能够压缩光线发散角的绿光棱柱棒5、绿光中继透镜8进入到三色合色棱镜组10的第三直角棱镜103并从第三直角棱镜103的反射绿光、透红光的第二分光膜斜面上反射且透过第二直角棱镜102、第一直角棱镜101及其第一分光膜，从第一直角棱镜101的直角面出射，在蓝光照明的通道中，蓝光LED发光芯片1发出的蓝光以一定的发散角进入到能够压缩光线发散角的蓝光棱柱棒4、蓝光中继透镜7进入到三色合色棱镜组10的第一直角棱镜101并在第一直角棱镜101的斜面上的反射蓝光、透绿光、红光的第一分光膜上反射且从第一直角棱镜101的直角面出射，这三个通道的LED红、绿、蓝光经三色合色棱镜组10后合成为白光，再经会聚透镜11、反射镜12，偏转90°后通过偏振片13、偏振棱镜14和1/4波片15，照亮LCOS液晶板16，并把LCOS液晶板16的图像信号反射回偏振棱镜14，经偏振棱镜14的透射并通过投影物镜17投射到屏幕上。

实施例2

除以下不同外，其他部分与实施例1完全相同，其结构示意图见图3。

用平面反射镜1051代替三色合色棱镜组10中的第五直角棱镜105，平面反射镜1051上镀有对红光全反射的高反膜，平面反射镜1051和第四直角棱镜104、第三直角棱镜103、第二直角棱镜102、第一直角棱镜101的光轴交角为45°。

实施例3

除以下不同外，其他部分与实施例1完全相同，其结构示意图见图4。

用第一分光片1011代替三色合色棱镜组10中的第一直角棱镜101、第二直角棱镜102，用第二分光片1031代替三色合色棱镜组10中的第三直角棱镜103、第四直角棱镜104，第一分光片1011和第二分光片1031与第五直角棱镜105的中心光轴的交角均为45°，第一分光片1011上镀有反射蓝光、透过绿光、红光的分光膜，第二分光片1031上镀有反射绿光、透过红光的分光膜。

实施例2和实施例3的工作原理与实施例1的工作原理完全相同，这里就不再重复。

本实用新型的***特别适于用在小型LCOS投影机中作为光学引擎。

Claims (3)

1、一种单片式LCOS小型投影机光学引擎，含LED红光通道、LED绿光通道、LED蓝光通道、三色合色棱镜组(10)、会聚透镜(11)、反射镜(12)、偏振片(13)、偏振棱镜(14)、1/4波片(15)、LCOS液晶板(16)和投影物镜(17)，LED红光通道含LED红光发光芯片(3)、红光棱柱棒(6)、红光中继透镜(9)，LED绿光通道含LED绿光发光芯片(2)、绿光棱柱棒(5)、绿光中继透镜(8)，LED蓝光通道含LED蓝光发光芯片(1)、蓝光棱柱棒(4)、蓝光中继透镜(7)，投影物镜(17)、偏振棱镜(14)、1/4波片(15)和LCOS液晶板(16)以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴与下述的三色合色棱镜组的中心光轴相互平行，第二会聚透镜(11b)、偏振片(13)和偏振棱镜(14)以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴与投影物镜(17)的中心光轴垂直，其特征在于，LED红光发光芯片(3)、红光棱柱棒(6)、红光中继透镜(9)以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴在第五直角棱镜(105)的直角面(C)的中心处与第五直角棱镜(105)的直角面(C)垂直，LED绿光发光芯片(2)、绿光棱柱棒(5)、绿光中继透镜(8)以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴在第三直角棱镜(103)的直角面(B)的中心处与第三直角棱镜(103)的直角面(B)垂直，LED蓝光发光芯片(1)、蓝光棱柱棒(4)、蓝光中继透镜(7)以它们的中心光轴重合的方式依次排列，它们的中心光轴在第一直角棱镜(101)的直角面(A)的中心处与第一直角棱镜(101)的直角面(A)垂直，三色合色棱镜组(10)由五个大小相同的45°直角棱镜构成，其中第一直角棱镜(101)的斜面上镀有第一分光膜，第三直角棱镜(103)的斜面上镀有第二分光膜，第一分光膜是反射蓝光、透过绿光、红光的膜，第二分光膜是反射绿光、透过红光的膜，第二直角棱镜(102)、第四直角棱镜(104)、第五直角棱镜(105)都不镀膜，第一直角棱镜(101)和第二直角棱镜(102)的斜面胶合，第三直角棱镜(103)和第四直角棱镜(104)的斜面胶合，第二直角棱镜(102)和第三直角棱镜(103)的直角面胶合，第四直角棱镜(104)和第五直角棱镜(105)的直角面(C)胶合，第五直角棱镜(105)、第四直角棱镜(104)、第三直角棱镜(103)、第二直角棱镜(102)、第一直角棱镜(101)以它们的中心光轴重合的方式依次排列，第一直角棱镜(101)的直角面(A)、第三直角棱镜103的直角面(B)和第五直角棱镜(105)的直角面(C)位于同一平面，第五直角棱镜(105)、第四直角棱镜(104)、第三直角棱镜(103)、第二直角棱镜(102)和第一直角棱镜(101)的中心光轴与第一会聚透镜(11a)的中心光轴重合，且与反射镜(12)的反光面的夹角为45°，第二会聚透镜(11b)的中心光轴与反射镜(12)的反光面的夹角为45°，第二会聚透镜(11b)的中心光轴与三色合色棱镜组(10)的中心光轴垂直相交于反射镜(12)的中心，六根中心光轴：LED红光发光芯片(3)、LED绿光发光芯片(2)和LED蓝光发光芯片(1)的中心光轴，三色合色棱镜组(10)的中心光轴，第二会聚透镜(11b)的中心光轴和投影物镜(17)的中心光轴位于同一个平面。

2、根据权利要求1所述的单片式LCOS小型投影机光学引擎，其特征在于，用平面反射镜(1051)代替三色合色棱镜组(10)中的第五直角棱镜(105)，平面反射镜(1051)上镀有对红光全反射的高反膜，平面反射镜(1051)和第四直角棱镜(104)、第三直角棱镜(103)、第二直角棱镜(102)、第一直角棱镜(101)的光轴交角为45°。

3、根据权利要求1所述的单片式LCOS小型投影机光学引擎，其特征在于，用第一分光片(1011)代替三色合色棱镜组(10)中的第一直角棱镜(101)、第二直角棱镜(102)，用第二分光片(1031)代替三色合色棱镜组(10)中的第三直角棱镜(103)、第四直角棱镜(104)，第一分光片(1011)和第二分光片(1031)与第五直角棱镜(105)的中心光轴的交角均为45°，第一分光片(1011)上镀有反射蓝光、透过绿光、红光的分光膜，第二分光片(1031)上镀有反射绿光、透过红光的分光膜。

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