專利名稱：一種投影儀用光學引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于投影顯示技術(shù)領(lǐng)域，涉及投影儀用光學引擎，尤其是基于激光光源的投影儀用光學引擎。
背景技術(shù)：
通常，投影儀的光學引擎包括光源、均光系統(tǒng)、合光系統(tǒng)、調(diào)制系統(tǒng)以及投影鏡頭。 其中光源和均光系統(tǒng)是決定光學引擎光能利用率的主要因素，而勻光系統(tǒng)是決定光學引擎體積大小的主要因素。目前，投影儀光學引擎按照空間調(diào)制技術(shù)的不同主要分為數(shù)字光處理(Digital Light Process, DLP)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCoS)、 液晶光閥(Liquid Crystal Light Valve, LCLV)三類。光源一般采用超高壓汞燈(Ultra High Performance, UHP)、金屬鹵化物燈(Metal Halide Lamp, MHP)或發(fā)光二極管(Light Emission Diode, LED)，其勻光結(jié)構(gòu)是方棒系統(tǒng)或復眼透鏡系統(tǒng)。1.光源對于UHP燈或MHP燈，其白光光源位于拋物反光碗的焦點上，反射光呈近準直光束，再經(jīng)勻光系統(tǒng)實現(xiàn)勻光照明。UHP發(fā)射光譜除可見光外，還有一定成分的紫外和紅外光， 需增加濾光片，成本和體積相應增加。特別對于DLP和LCoS結(jié)構(gòu)，需要分光系統(tǒng)將白光分解為三原色，因此需設(shè)置色輪或分色鏡等組件，這也會增加成本和系統(tǒng)尺寸，同時降低了系統(tǒng)色域。隨著光學元件的增加，損耗也在增加，最終限制了系統(tǒng)的出光效率。對于三基色LED光源，其色域較好，且不需要分色系統(tǒng)，集成度提高，但是仍需要經(jīng)反光碗、聚光透鏡對LED朗伯源進行聚光，再經(jīng)勻光系統(tǒng)進行重疊照明和光斑整形。其出射光斑的勻光性和形狀仍難以精確控制，光能利用率仍較低。2.勻光系統(tǒng)方棒系統(tǒng)利用光線在方棒內(nèi)的多次反射，形成光源虛像，在出射面疊加形成特定形狀光斑。由于方棒出射端需額外引入照明透鏡組以實現(xiàn)勻光性，因此整體尺寸較大，不利于微型集成。復眼照明系統(tǒng)能夠?qū)⒐庠窗l(fā)出的圓形光斑整形為矩形光斑。同時由于小透鏡單元在照明面的重疊照明，一定程度上提高了系統(tǒng)的照明均勻性。但是復眼系統(tǒng)前級必須由拋物型反光碗等聚光組件對光源進行聚光，系統(tǒng)整體尺寸較大。因此，要提高投影儀的光能利用率，實現(xiàn)微型化，就必須改進光學引擎的結(jié)構(gòu)。 發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有投影儀光學結(jié)構(gòu)復雜、光能損失大、光斑整形勻光效果不佳等不足之處，本實用新型提供一種投影儀用光學引擎。該光學引擎采用三基色的激光光源和由漸變折射率的準直透鏡陣列構(gòu)成的勻光系統(tǒng)，具有更小的體積和更高的光能利用率。本實用新型技術(shù)方案如下一種投影儀用光學引擎，包括光源、光束耦合器、勻光系統(tǒng)、合光系統(tǒng)、調(diào)制系統(tǒng)和投影鏡頭。所述光源為RGB三基色激光光源，所述RGB三基色激光光源產(chǎn)生的三基色激光分別經(jīng)三個光束耦合器輸出三組陣列光束；所述勻光系統(tǒng)包括三個準直透鏡陣列，每個準直透鏡陣列由相同的、光學長度為四分之一節(jié)距的漸變折射率透鏡單元組成；三組陣列光束分別經(jīng)三個準直透鏡陣列輸出三組能量分布均勻的平行光，其中陣列光束的每個單元光束具有一定的發(fā)散角，以保證每個單元光束在對應漸變折射率透鏡單元中擴束后的截面面積略大于該漸變折射率透鏡單元的截面面積。三組能量分布均勻的平行光經(jīng)合光系統(tǒng)合光后，再經(jīng)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制成光學圖像信息并輸入到投影鏡頭；或者，三組能量分布均勻的平行光分別經(jīng)三個調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制成光學圖像信息，然后再經(jīng)合光系統(tǒng)合光后輸入到投影鏡頭。上述技術(shù)方案中，1)所述光學長度為四分之一節(jié)距的漸變折射率透鏡單元的截面形狀為圓形或矩形，多個漸變折射率透鏡單元密集堆積成準直透鏡陣列；幻所述合光系統(tǒng)可以是沃拉斯頓棱鏡(Wollaston Prim)、X棱鏡或分色鏡。本實用新型根據(jù)光學引擎中光調(diào)制器的使用數(shù)量，分為單片式光調(diào)制器光學引擎 (如圖1所示)和三片式光調(diào)制器光學引擎(如圖9所示)。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要區(qū)別及有益效果在于本實用新型勻光系統(tǒng)為由相同的漸變折射率透鏡單元組成的準直透鏡陣列，每個透鏡單元通光面為與入射光斑形狀對應(圓形或矩形)，長度為1/4節(jié)距，透鏡單元之間緊密堆積成矩陣。該勻光系統(tǒng)可同時實現(xiàn)勻光、整形與準直的功能，其出射光斑為矩形且能量分布均勻，與調(diào)制系統(tǒng)直接進行光學耦合，可實現(xiàn)較高的光能利用率。通過改變勻光系統(tǒng)中透鏡單元的數(shù)量，可以控制出射光斑的幾何參數(shù)，且不改變光能量分布的均勻性；勻光系統(tǒng)為單級透鏡系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，有利于減小光學引擎體積，實現(xiàn)整機微型化。合光系統(tǒng)采用沃拉斯頓棱鏡，基于晶體光學和偏振光學的相關(guān)原理對合光結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新，可進一步提高光能利用率。

圖1是本實用新型提供的單片式光調(diào)制器投影儀用光學引擎結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實用新型第一實施方式的光學引擎平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是準直透鏡陣列結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)是截面形狀為圓形的漸變折射率透鏡單元密集堆積成的準直透鏡陣列；(b)是截面形狀為矩形的漸變折射率透鏡單元密集堆積成的準直透鏡陣列。圖4是沃拉斯頓合光棱鏡合光原理圖。圖5是適用于本實用新型第一、第二和第三實施方式的帶IlR棱鏡的單片式DMD 光調(diào)制器光學引擎平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是適用于本實用新型第一、第二和第三實施方式的單片式LCoS光調(diào)制器光學引擎平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本實用新型第二實施方式的光學引擎平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本實用新型第三實施方式的光學引擎平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是適用于本實用新型第四實施方式的三片式光調(diào)制器光學引擎的結(jié)構(gòu)框圖。
4[0029]圖10是適用于本實用新型第四實施方案的三片式LCD光調(diào)制器光學引擎平面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
第一實施方式本實用新型第一實施方式適用于單片式DMD或LCoS光調(diào)制器的光學引擎。如圖 2所示，該光學引擎包括RGB三基色激光光源21、24、27，三個光束耦合器22、25、觀，三個準直透鏡陣列23、沈、29，沃拉斯頓合光棱鏡210，光調(diào)制器組件211、212、213，投影鏡頭214。光源采用激光光源，提供RGB三原色。一種顏色使用至少一個激光器。光源的驅(qū)動方式采用時間混色法，即在一幀時間內(nèi)RGB三個光源依次發(fā)射時序光脈沖，單色脈沖寬度依白平衡來劃分，利用人眼的視覺暫留特性實現(xiàn)單片光調(diào)制器的全彩顯示。光束耦合器用來實現(xiàn)激光光源與準直透鏡陣列的光學連接。單色激光器與透鏡的連接方式必須保證一個激光束輸出對應一個透鏡單元，并且各激光束能量相同，光學特性一致。對于單光束輸出的激光器，可以采用相同規(guī)格的光纖耦合器(Coupler)將激光器輸出的總光束等分，再通過光纖準直器陣列耦合到透鏡陣列，此時光束耦合結(jié)構(gòu)由光纖耦合器和光纖準直器陣列組成。光束耦合器輸出的陣列光束中的單束激光需具備一定的發(fā)散角，以保證每個單元光束在對應漸變折射率透鏡單元中擴束后的截面面積略大于該漸變折射率透鏡單元的截面面積。三個準直透鏡陣列構(gòu)成的勻光系統(tǒng)是整個光路的核心器件，功能是將入射的陣列光束進行勻光、整形與準直，出射光斑為能量分布均勻的矩形光斑。準直透鏡陣列由幾何參數(shù)、光學特性、加工精度均相同的漸變折射率透鏡組成。漸變折射率透鏡(也稱自聚焦透鏡，Gradient-Index Lens, GRIN Lens)的折射率由光軸沿徑向向外逐漸減小，呈二次分布。 光在折射率逐漸降低的薄層中傳輸時，基于折射原理自動向中心偏轉(zhuǎn)，因此光路呈正弦曲線。當光線由中心傳輸至方向平行于光軸時的光學長度稱為1/4節(jié)距(Pitch，P)，即四分之一光學周期，因此光學長度為1/4P的漸變折射率透鏡可出射平行光。根據(jù)入射光斑的形狀切割單位透鏡若入射光斑為圓形，將每個透鏡單元切割為圓柱，如圖3(a)所示，圓柱間呈密集堆積狀，以增大有效通光面積；若入射光斑為矩形，將每個透鏡單元切割為四棱柱， 如圖3(b)所示。兩個透光面垂直于光軸，鍍增透膜。出射光的準直性可通過調(diào)整準直透鏡陣列與光束耦合器之間的工作距離和耦合方式來保證。合光系統(tǒng)將三束準直的矩形激光束在空間范圍內(nèi)合為一束，投射到光調(diào)制器的工作面。合光系統(tǒng)可采用沃拉斯頓棱鏡(Wollaston Prim)，其合光原理基于晶體光學的雙折射效應。所述沃拉斯頓棱鏡由光軸相互垂直兩片楔形棱鏡I和II以楔形面緊密接觸而成；其中楔形棱鏡I具有兩個入射面，楔形棱鏡II具有一個入射面和一個出射面；三個準直透鏡陣列的三束輸出光中第一束輸出光的偏振方向與楔形棱鏡I的光軸平行，入射到楔形棱鏡I的第一入射面；第二束輸出光的偏振方向與楔形棱鏡I的光軸垂直，入射到楔形棱鏡I的第二入射面；第一、第二束輸出光入射到楔形棱鏡I后經(jīng)沃拉斯頓棱鏡雙折射后在空間范圍內(nèi)合為一束；第三束輸出光不限定偏振方向，入射到楔形棱鏡II的入射面，經(jīng)沃拉斯頓棱鏡楔面全反射，其反射光與第一、第二束輸出光經(jīng)沃拉斯頓棱鏡雙折射后的合成光在空間范圍內(nèi)重合并從楔形棱鏡II的出射面輸出。以釩酸釔(YVO4)材料為例敘述其合光原理。雙折射是指光入射到各向異性的晶體時，除特殊方向外，分解成兩束振動方向相互垂直、傳播速度不同、折射率不等的線偏振光， 即沿不同方向傳播速度相同的ο光和沿不同方向傳播速率不同的e光。同理，也可以將兩束正交線偏振光合為一束。ο光的振動方向垂直于ο光主平面，e光的振動方向在e光的主平面內(nèi)。入射光分別為R、G、B三束經(jīng)整形、勻光的矩形準直光。三束入射光與沃拉斯頓棱鏡入射端的對應關(guān)系是任意的。圖4所示入射光的排列方式是其中的一種對應關(guān)系，即G 光和B光為雙折射晶體光學入射端，R光為幾何光學入射端，W為合光出射端。楔形棱鏡交界面鍍有R光的高反膜實現(xiàn)R光的全反射。G光和B光均為線偏光，且偏振方向相互正交， R光的偏振方向不需要限定。G光偏振方向平行于紙面，B光偏振方向垂直于紙面。G光線和B光線位于斜面法線的同側(cè)。I和II是光軸相互正交的兩個楔形棱鏡，I的光軸垂直于紙面，II的光軸平行于紙面。YVO4作為正光性晶體，其e光折射率大于ο光折射率。則經(jīng)沃拉斯頓棱鏡的雙折射，G光完成從ο光到e光的轉(zhuǎn)換，即由光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì)，入射角大于折射角；B光完成從e光到ο光的轉(zhuǎn)換，即由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)，入射角小于折射角。G、B折射光線重合，R光在斜面完成全反射，反射光線與B、G折射光線重合，從而完成合光。G光和B光為線偏光，其偏振的實現(xiàn)可由激光器輸出來保證，也可以在準直器陣列和合光棱鏡之間加入取偏裝置設(shè)置偏振方向。棱鏡的三個入射面應當垂直于光的入射方向，以確保出射光斑無畸變。合光棱鏡也可采用X棱鏡、分色鏡?？臻g光調(diào)制器件(Spatial Light Modulator，SLM)是一種對光的空間分布進行調(diào)制的微顯示器件。投影機的光調(diào)制器是指通過有選擇的透射、反射或阻斷光路來傳遞圖像信息的器件。常用器件有數(shù)字微鏡(Digital Micormirror Device，DMD)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)、液晶器件(Liquid Crystal Device，LCD)。DMD作為DLP反射投影技術(shù)的核心器件，它利用分布密集的微型反光鏡對光進行定向反射的控制。微鏡單元由時序視頻信號驅(qū)動，可實現(xiàn)10-12°翻轉(zhuǎn)，在“開”和“關(guān)”的位置間進行往復切換，從而形成反射圖像信號，灰度等級由驅(qū)動脈寬控制。DMD光路如圖5 所示，DMD61通過全反射棱鏡(Total Internal Reflector, TIR)62接收照明光，并將生成的圖像信號反射至投影鏡頭。也可如圖2所示采用反光鏡212進行簡化，即通過反光鏡將背景光投射到DMD211上，圖像信息反射至投影鏡頭，非圖像信息反射至光吸收器213。LCoS是一種反射式液晶投影技術(shù)，采用以液晶光電效應為基礎(chǔ)的反射式顯示芯片，液晶單元為矩陣結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動信號將入射光選擇性地反射并改變其偏振態(tài)，經(jīng)偏振光束分離器(Polarization Beam Splitter,PBS)輸出。光路如圖6所示，71為LCoS，入射為S 偏振光，經(jīng)液晶反射，輸出帶有圖像信息的P偏振光。單片式光路結(jié)構(gòu)與單片式DMD相似， 只需以PBS結(jié)構(gòu)72取代TIR或反光鏡結(jié)構(gòu)。LCD是一種透射式投影顯示技術(shù)，它利用液晶的光電效應，通過電路控制液晶點陣單元的透射率，從而產(chǎn)生不同灰度層次及色彩的圖像。最常見的結(jié)構(gòu)為三片式，光路如圖10 所示，三基色光源經(jīng)勻光、準直后，由IXD光調(diào)制器111、112、113過濾成單色圖像信息，再經(jīng) X棱鏡合光直接傳遞給投影透鏡。[0044]本實施方式所述光學引擎由RGB三基色激光器、光束耦合結(jié)構(gòu)、GRIN Lens矩陣準直器、沃拉斯頓合光棱鏡、光調(diào)制器、投影鏡頭等組成。僅使用GRIN Lens矩陣這一級光學系統(tǒng)即實現(xiàn)對入射激光束陣列的準直、擴束和勻光，光學結(jié)構(gòu)大大簡化，有利于整機微型化，光能損失降到最低。采用沃拉斯頓棱鏡對合光結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新，進一步提高光能利用率。第二實施方式本實用新型第二實施方式適用于單片式DMD或LCoS光調(diào)制器的光學引擎。第二實施方式是在第一實施方式的基礎(chǔ)上改進而成。改進之處在于，以X棱鏡代替沃拉斯頓棱鏡實現(xiàn)合光。如圖7所示，X棱鏡81由四塊直角棱鏡的直角拼接而成。R光ab面、cd面全透；G光ab面全反射，cd面全透；B光cd面全反射，ab面全透。合成光經(jīng)bd面射出投射至光調(diào)制器。其特點是無需考慮激光偏振性，去掉了取偏裝置及合光出射端整形裝置，結(jié)構(gòu)進一步簡化。第三實施方式本實用新型第三實施方式適用于單片式DMD或LCoS光調(diào)制器的光學引擎。第三實施方式是在第一實施方式和第二實施方式的基礎(chǔ)上改進而成。改進之處在于，合光棱鏡采用三組分色鏡。如圖8所示，91鏡對B光全反射；92鏡對B光全透，對G光全反；93鏡對 B光、G光全透，對R光全反。由93鏡合光并投射至調(diào)制器。相比于X棱鏡，反射鏡結(jié)構(gòu)簡單，光路損失更少，光能利用率更高，而且制造成本更低。第四實施方式本實用新型第四實施方式適用于三片式DMD、三片式LCoS、三片式LCD光學引擎。 第四實施方式結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。相對于第一至第三實施方式，其變化在于，三基色光源經(jīng)漸變折射率透鏡陣列勻光、準直后，先經(jīng)空間光調(diào)制器組件調(diào)制成單色圖像信息，再由合光鏡(沃拉斯頓棱鏡、X棱鏡、分色鏡等)合光并投射到投影鏡頭。例如三片式LCD光學引擎，如圖10所示，在單色光源的陣列準直器和X合光棱鏡之間加入液晶光閥111、112、113， 透射單色圖像信息，再經(jīng)X棱鏡合光直接傳遞給投影透鏡。對于三片式DMD和LCoS結(jié)構(gòu)， 只需將光調(diào)制器組件位置進行替換即可實現(xiàn)本實施方案。
權(quán)利要求1.一種投影儀用光學引擎，包括光源、光束耦合器、勻光系統(tǒng)、合光系統(tǒng)、調(diào)制系統(tǒng)和投影鏡頭；其特征在于所述光源為RGB三基色激光光源，所述RGB三基色激光光源產(chǎn)生的三基色激光分別經(jīng)三個光束耦合器輸出三組陣列光束；所述勻光系統(tǒng)包括三個準直透鏡陣列，每個準直透鏡陣列由相同的、光學長度為四分之一節(jié)距的漸變折射率透鏡單元組成；三組陣列光束分別經(jīng)三個準直透鏡陣列輸出三組能量分布均勻的平行光，其中陣列光束的每個單元光束具有一定的發(fā)散角，以保證每個單元光束在對應漸變折射率透鏡單元中擴束后的截面面積略大于該漸變折射率透鏡單元的截面面積；三組能量分布均勻的平行光經(jīng)合光系統(tǒng)合光后，再經(jīng)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制成光學圖像信息并輸入到投影鏡頭；或者，三組能量分布均勻的平行光分別經(jīng)三個調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制成光學圖像信息，然后再經(jīng)合光系統(tǒng)合光后輸入到投影鏡頭。
2.根據(jù)權(quán)利要1所述的投影儀用光學引擎，其特征在于，所述光學長度為四分之一節(jié)距的漸變折射率透鏡單元的截面形狀為圓形或矩形，多個漸變折射率透鏡單元密集堆積成準直透鏡陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要1所述的投影儀用光學引擎，其特征在于，所述合光系統(tǒng)是沃拉斯頓棱鏡；所述沃拉斯頓棱鏡由光軸相互垂直兩片楔形棱鏡I和II以楔形面緊密接觸而成；其中楔形棱鏡I具有兩個入射面，楔形棱鏡II具有一個入射面和一個出射面；三個準直透鏡陣列的三束輸出光中第一束輸出光的偏振方向與楔形棱鏡I的光軸平行，入射到楔形棱鏡I 的第一入射面；第二束輸出光的偏振方向與楔形棱鏡I的光軸垂直，入射到楔形棱鏡I的第二入射面；第一、第二束輸出光入射到楔形棱鏡I后經(jīng)沃拉斯頓棱鏡雙折射后在空間范圍內(nèi)合為一束；第三束輸出光不限定偏振方向，入射到楔形棱鏡II的入射面，經(jīng)沃拉斯頓棱鏡楔面全反射，其反射光與第一、第二束輸出光經(jīng)沃拉斯頓棱鏡雙折射后的合成光在空間范圍內(nèi)重合并從楔形棱鏡II的出射面輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要1所述的投影儀用光學引擎，其特征在于，所述合光系統(tǒng)是X棱鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要1所述的投影儀用光學引擎，其特征在于，所述合光系統(tǒng)是三塊相互平行的分色鏡。
專利摘要一種投影儀用光學引擎，屬于投影顯示技術(shù)領(lǐng)域。RGB三基色激光光源產(chǎn)生的激光分別經(jīng)三個光束耦合器輸出三組陣列光；勻光系統(tǒng)包括三個準直透鏡陣列，每個準直透鏡陣列由光學長度為1/4節(jié)距的漸變折射率透鏡單元組成；三組陣列光分別經(jīng)三個準直透鏡陣列輸出三組能量分布均勻的平行光，再經(jīng)合光及調(diào)制系統(tǒng)后輸入到投影鏡頭。本實用新型中勻光系統(tǒng)采用單級漸變折射率透鏡單元組成的準直透鏡陣列，可同時實現(xiàn)勻光、整形與準直，其出射光斑能量分布均勻，可實現(xiàn)較高的光能利用率；同時具有結(jié)構(gòu)簡單的特點，有利于減小光學引擎體積，實現(xiàn)整機微型化。合光系統(tǒng)可采用沃拉斯頓棱鏡，基于晶體光學和偏振光學的相關(guān)原理對合光結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新，可進一步提高光能利用率。
文檔編號G02B27/30GK201974623SQ20112008412
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月26日
發(fā)明者曹貴川, 林祖?zhèn)? 王小菊, 祁康成, 芮大為, 陳文彬 申請人:電子科技大學