專利名稱：用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型公開了一種用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，尤其涉及一種以LED 作為投影光源和使用單片LC0S顯示芯片作為投影物像的光學(xué)引擎。
背景技術(shù)：
背投電視是能夠提供視頻或產(chǎn)生數(shù)字圖像的裝置。無論在家庭娛樂、廣告、視頻會(huì) 議或組群會(huì)議中使用，都需要適當(dāng)?shù)娘@示裝置。 使用壽命與性價(jià)比是消費(fèi)者用于判定顯示裝置的重要因素之一。 一般而言，通常 使用的UHP、 UHE等高壓、超高壓投影燈，其投影光源一般只能提供2-3年的使用壽命，之后 就需要更換燈源。也就是說，目前市場(chǎng)上的顯示裝置存在使用壽命短且生產(chǎn)成本高的問題。
實(shí)用新型內(nèi)容為了解決上述問題，本實(shí)用新型提供了一種使用壽命長(zhǎng)且生產(chǎn)成本低的用于背投 影顯示裝置中的光學(xué)引擎。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為 —種用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，包括光源系統(tǒng)、聚光合光系統(tǒng)、照明系 統(tǒng)、光學(xué)投影成像系統(tǒng)，其中，光源系統(tǒng)包括至少一組單色LED發(fā)光芯片，光學(xué)投影成像系 統(tǒng)包括PBS棱鏡、單片時(shí)序LC0S反射式顯示芯片和大廣角定焦投影鏡頭；單色LED發(fā)光芯 片發(fā)射出的光，經(jīng)聚光合光系統(tǒng)合并成一束復(fù)合光后進(jìn)入照明系統(tǒng)進(jìn)行整形，整形后再進(jìn) 入PBS棱鏡，PBS棱鏡將部分偏振光轉(zhuǎn)折投射在單片時(shí)序LC0S反射式顯示芯片上，形成影 像并通過大廣角定焦投影鏡頭，擴(kuò)大投射在背投屏幕上。 PBS棱鏡用于控制偏振態(tài)光學(xué)行進(jìn)的方向；單片時(shí)序LCOS反射式顯示芯片用于產(chǎn) 生影像；大廣角定焦投影鏡頭用于將影像擴(kuò)大并進(jìn)行投影。背投屏幕可以包括多層材料，例 如菲涅耳屏幕，該屏幕可以被設(shè)計(jì)成控制光在水平方向上傳播，以適應(yīng)水平位于屏幕前的 觀眾。 將LED作為光源至少可以提供10年以上的使用壽命，其已達(dá)到甚至超過背投影顯 示裝置整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。而用單片時(shí)序LC0S反射式顯示芯片產(chǎn)生數(shù)字影像可以降低 背投影顯示裝置的整個(gè)價(jià)格，得到更大的性價(jià)比。同時(shí)，大廣角定焦投影鏡頭能產(chǎn)生較大、 基本不失真，且不需要數(shù)字梯度較正的投影影像。 作為上述方案的優(yōu)選，所述光源系統(tǒng)包括三組單色LED發(fā)光芯片；聚光合光系統(tǒng) 包括三組分別與該三組單色LED發(fā)光芯片一一對(duì)應(yīng)的聚光鏡組合，以及將每組聚光鏡組合 發(fā)射過來的光束進(jìn)行聚合的光學(xué)元件；照明系統(tǒng)包括沿光路走向依次設(shè)置的下聚光鏡、長(zhǎng) 方形的積分柱、上聚光鏡組合。 其中，聚光鏡組合的作用是將單色LED發(fā)光芯片發(fā)射出來的光線聚集起來，以減 少其發(fā)散角。 光學(xué)元件的作用是將幾束不同顏色的色光聚合成一束復(fù)色光，在此優(yōu)選方案內(nèi)，光學(xué)元件選用X棱鏡。應(yīng)當(dāng)指出的是，由于LED光源采用時(shí)序的工作方式，所以在一個(gè)很微 小的工作時(shí)間內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)中都只有一種單色光并沒有真正意義上的復(fù)色光，但是在未經(jīng) 過光學(xué)元件之前，各單色光的行進(jìn)路線是可能不同的，但經(jīng)過光學(xué)元件之后，各單色光的行 進(jìn)路線卻是一致的。這樣只要三色光的重復(fù)發(fā)出的間隔小于人眼的弛豫時(shí)間，則人眼將視 其為復(fù)色光。 積分柱為可改變光束能量分布的光束整形光學(xué)元件。下聚光鏡、上聚光鏡組合的 作用均與聚光鏡組合的作用一樣，在此不多作贅述。 作為上述方案的另一優(yōu)選，所述光源系統(tǒng)包括兩組單色LED發(fā)光芯片；聚光合光
系統(tǒng)包括兩個(gè)分別與該兩組單色LED發(fā)光芯片一一對(duì)應(yīng)的聚光透鏡陣列，以及將每個(gè)聚光
透鏡陣列發(fā)射過來的光束進(jìn)行聚合的光學(xué)元件；照明系統(tǒng)包括沿光路走向依次設(shè)置的下聚
光鏡組合二、長(zhǎng)方形的積分柱、上聚光鏡組合二。此方案中的光學(xué)元件選用二色鏡。 聚光透鏡陣列、下聚光鏡組合二、上聚光鏡組合二的作用均與聚光鏡組合的作用
一樣，在此不多作贅述。 作為上述方案的再另一優(yōu)選，所述光源系統(tǒng)包括三組單色LED發(fā)光芯片；聚光合 光系統(tǒng)包括三個(gè)分別與該三組單色LED發(fā)光芯片一一對(duì)應(yīng)的聚光鏡，以及將每個(gè)聚光鏡發(fā) 射過來的光束進(jìn)行聚合的光學(xué)元件；照明系統(tǒng)包括沿光路走向依次設(shè)置的兩個(gè)復(fù)眼透鏡陣 列、偏振光轉(zhuǎn)換器光學(xué)元件、聚光鏡三。此方案中的光學(xué)元件選用X棱鏡。 聚光鏡、聚光鏡三的作用均與聚光鏡組合的作用一樣，在此不多作贅述。復(fù)眼透鏡 陣列為可改變光束能量分布的光束整形光學(xué)元件。偏振光轉(zhuǎn)換器光學(xué)元件可改變光束偏振 態(tài)，具體的說，就是可將光束中偏振態(tài)為P偏振態(tài)的那一部分光線，轉(zhuǎn)變成S偏振態(tài)，而原來 是S偏振態(tài)的光線仍然是S偏振態(tài)。 本實(shí)用新型用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎采用了上述方案后，單色光按控制 以時(shí)序方式從各自LED發(fā)光芯片中發(fā)射出以后，經(jīng)聚光合光系統(tǒng)合并成一束復(fù)合光后進(jìn)入 照明系統(tǒng)進(jìn)行整形，整形后再進(jìn)入PBS棱鏡，PBS棱鏡將偏振光分成兩部分， 一部分將返回 原光路，而另一部分將進(jìn)入單片時(shí)序LC0S反射式顯示芯片，經(jīng)單片時(shí)序LC0S反射式顯示芯 片產(chǎn)生影像后，再反射進(jìn)入大廣角定焦投影鏡頭，最終大廣角定焦投影鏡頭將擴(kuò)大的影像 投放到背投屏幕上，且該影像基本不失真。 總之，本實(shí)用新型用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎使用壽命長(zhǎng)且生產(chǎn)成本低。 本實(shí)用新型用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，可以在壁掛式投影系統(tǒng)，多媒體 系統(tǒng)，緊湊集成監(jiān)視系統(tǒng)和便攜式投影單元中實(shí)現(xiàn)。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本實(shí)用新型第一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本實(shí)用新型第二種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本實(shí)用新型第三種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式如圖1所示，本實(shí)用新型用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，包括光源系統(tǒng)11、聚 光合光系統(tǒng)12、照明系統(tǒng)13、光學(xué)投影成像系統(tǒng)14。其中，光源系統(tǒng)11包括至少一組單色 LED發(fā)光芯片，光學(xué)投影成像系統(tǒng)14包括PBS棱鏡、單片時(shí)序LC0S反射式顯示芯片和大廣 角定焦投影鏡頭。單色LED發(fā)光芯片發(fā)射出的光，經(jīng)聚光合光系統(tǒng)合并成一束復(fù)合光后進(jìn) 入照明系統(tǒng)進(jìn)行整形，整形后再進(jìn)入PBS棱鏡，PBS棱鏡將部分偏振光轉(zhuǎn)折投射在單片時(shí) 序LC0S反射式顯示芯片上，形成影像并通過大廣角定焦投影鏡頭，擴(kuò)大投射在背投屏幕15 上。 下面我們來列舉三個(gè)實(shí)施例 實(shí)施例一如圖2所示，背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，包括光源系統(tǒng)11、聚光合光 系統(tǒng)12、照明系統(tǒng)13、光學(xué)投影成像系統(tǒng)14。其中，光源系統(tǒng)11包括三組單色LED發(fā)光芯 片，它們分別為綠光201、紅光202、藍(lán)光203。聚光合光系統(tǒng)12包括三組分別與該三組單 色LED發(fā)光芯片201、202、203——對(duì)應(yīng)的聚光鏡組合201_1、201_2， 202_1、202_2， 203-1、 203-2，以及將每組聚光鏡組合201-1、201-2，202-1、202-2，203-1、203-2發(fā)射過來的光束 進(jìn)行聚合的光學(xué)元件X棱鏡204。照明系統(tǒng)13包括沿光路走向依次設(shè)置的下聚光鏡205、 長(zhǎng)方形的積分柱206、上聚光鏡組合。上聚光鏡組合包括兩個(gè)依次疊加的聚光鏡207、208。 光學(xué)投影成像系統(tǒng)14包括PBS棱鏡209、單片時(shí)序LCOS反射式顯示芯片210和大廣角定焦 投影鏡頭211。 工作原理如下 從三組單色LED發(fā)光芯片201,202,203中發(fā)出的單色光，分別進(jìn)入各自對(duì)應(yīng)的聚 光鏡組合201-1、201-2，202-1、202-2，203-1、203-2進(jìn)行聚光，之后一起入射到X棱鏡204 中合并成一束復(fù)合光，接著復(fù)合光進(jìn)入照明系統(tǒng)13的下聚光鏡205，之后再進(jìn)入積分柱206 進(jìn)行光束整形，然后依次通過聚光鏡207、聚光鏡208后，進(jìn)入光學(xué)投影成像系統(tǒng)14，在光學(xué) 投影成像系統(tǒng)14中，光束先通過PBS棱鏡209，將偏振光分成兩部分， 一部分將返回原光路， 而另一部分將進(jìn)入單片時(shí)序LCOS反射式顯示芯片210，經(jīng)單片時(shí)序LCOS反射式顯示芯片 210產(chǎn)生影像后，再反射進(jìn)入大廣角定焦投影鏡頭211，最終大廣角定焦投影鏡頭211將擴(kuò) 大的影像投放到背投屏幕15上。背投屏幕15可選用菲涅耳屏幕，該屏幕可以被設(shè)計(jì)成控 制光在水平方向上傳播，以適應(yīng)水平位于屏幕前的觀眾。 實(shí)施例二如圖3所示，背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，包括光源系統(tǒng)11、聚光合光 系統(tǒng)12、照明系統(tǒng)13、光學(xué)投影成像系統(tǒng)14。其中，光源系統(tǒng)11包括兩組單色LED發(fā)光芯 片，它們均采用點(diǎn)陣單色LED，即綠光LED發(fā)光點(diǎn)陣301和紅藍(lán)光LED發(fā)光點(diǎn)陣302。聚光 合光系統(tǒng)12包括兩個(gè)分別與綠光LED發(fā)光點(diǎn)陣301、紅藍(lán)光LED發(fā)光點(diǎn)陣302 —一對(duì)應(yīng)的 聚光透鏡陣列303、304，以及將每個(gè)聚光透鏡陣列303、304發(fā)射過來的光束進(jìn)行聚合的二 色鏡305 ;組成聚光透鏡陣列303、304的每個(gè)小透鏡單元分別對(duì)應(yīng)一個(gè)單色LED發(fā)光芯片， 并負(fù)責(zé)將其對(duì)應(yīng)的單色LED發(fā)光芯片發(fā)出的光束會(huì)聚。照明系統(tǒng)13包括沿光路走向依次 設(shè)置的下聚光鏡組合二、長(zhǎng)方形的積分柱308、上聚光鏡組合二。下聚光鏡組合二包括兩個(gè) 依次疊加的聚光鏡306、307。上聚光鏡組合二包括兩個(gè)依次疊加的聚光鏡309、310。光學(xué) 投影成像系統(tǒng)14包括PBS棱鏡311、單片時(shí)序LC0S反射式顯示芯片312和大廣角定焦投影 鏡頭313。[0031] 工作原理如下 綠光LED發(fā)光點(diǎn)陣301和紅藍(lán)光LED發(fā)光點(diǎn)陣302發(fā)出的光，分別進(jìn)入各自對(duì)應(yīng) 的聚光透鏡陣列303、304進(jìn)行聚光，之后一起入射到二色鏡305中合并成一束復(fù)合光，接著 復(fù)合光先后進(jìn)入照明系統(tǒng)13的聚光鏡306、307，然后會(huì)聚進(jìn)入積分柱308進(jìn)行光束整形，接 著再依次通過聚光鏡309、310后，進(jìn)入光學(xué)投影成像系統(tǒng)14的PBS棱鏡311，將偏振光分成 兩部分， 一部分將返回原光路，而另一部分將進(jìn)入單片時(shí)序LCOS反射式顯示芯片312，經(jīng)單 片時(shí)序LCOS反射式顯示芯片312產(chǎn)生影像后，再反射進(jìn)入大廣角定焦投影鏡頭313，最終大 廣角定焦投影鏡頭313將擴(kuò)大的影像投放到背投屏幕15上。 實(shí)施例三如圖4所示，背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，包括光源系統(tǒng)11、聚光合光 系統(tǒng)12、照明系統(tǒng)13、光學(xué)投影成像系統(tǒng)14。其中，光源系統(tǒng)11包括三組單色LED發(fā)光芯 片401、402、403。聚光合光系統(tǒng)12包括三個(gè)分別與該三組單色LED發(fā)光芯片401、402、403 一一對(duì)應(yīng)的聚光鏡404、405、406，以及將每個(gè)聚光鏡404、405、406發(fā)射過來的光束進(jìn)行聚 合的光學(xué)元件X棱鏡407。照明系統(tǒng)13包括沿光路走向依次設(shè)置的兩個(gè)復(fù)眼透鏡陣列408、 409、偏振光轉(zhuǎn)換器光學(xué)元件410、聚光鏡三411。光學(xué)投影成像系統(tǒng)14包括PBS棱鏡412、 單片時(shí)序LCOS反射式顯示芯片413和大廣角定焦投影鏡頭414。 工作原理如下 三組單色LED發(fā)光芯片401 、402、403發(fā)出的單色光，進(jìn)入各自對(duì)應(yīng)的聚光鏡404、 405、406，經(jīng)過聚光鏡404、405、406后，光束變成近似平行光，并入射到X棱鏡407合成一束 復(fù)合光。在完成合光之后，進(jìn)入照明系統(tǒng)13的光束將先后通過兩個(gè)復(fù)眼透鏡陣列408、409， 這兩個(gè)復(fù)眼透鏡陣列408、409將完成光束的整形并再通過偏振光轉(zhuǎn)換器光學(xué)元件410，此 偏振光轉(zhuǎn)換器光學(xué)元件410可以將光線中偏振態(tài)為P偏振態(tài)的那一部分光線，轉(zhuǎn)變成S偏 振態(tài)，而原來S偏振態(tài)的光線仍然是S偏振態(tài)，完成偏振轉(zhuǎn)化后，光束再通過聚光鏡三411 將光束會(huì)聚進(jìn)入光學(xué)投影成像系統(tǒng)14的PBS棱鏡412，這時(shí)均是S偏振態(tài)的光束將全部反 射在單片時(shí)序LCOS反射式顯示芯片413上形成影像，影像再經(jīng)過大廣角定焦投影鏡頭414 擴(kuò)大并投射在背投屏幕15上。 本實(shí)用新型用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，被用在短投射距離、大屏幕背投 影電視中。詞語"投射距離"表示由從投影屏幕到投影鏡頭第一片鏡片的光學(xué)距離。另外， 在背投影電視中基本不失真，意味著失真不超過2 % ，在優(yōu)選進(jìn)是小于或等于1 % ，最為優(yōu) 選的是小于或等于0.5%。這些失真值對(duì)于大多數(shù)成像裝置而言不需要電子失真較正。電 視機(jī)/背投電視使用壽命是以每天工作5小時(shí)計(jì)算。在本文獻(xiàn)中，詞語"大約"認(rèn)為修飾所 有的數(shù)值。 在實(shí)施例中，屏幕到光學(xué)引擎的投影距離與圖像尺寸(4:3格式或16:9格式，對(duì) 角)的比例可以是大約是1. 9 2. 2比1，詞語"4:3格式"和"16:9格式"指的是測(cè)量的圖 像寬度與圖像高度的常規(guī)圖像格式。 另外，光學(xué)引擎被設(shè)計(jì)成使用很少需要或不需要梯形失真較正，同時(shí)減少失真。例 如投影圖像的失真值可以小于等于1%，優(yōu)選的是小于或等于0.5% (失真(d)可以通過下 述等式?jīng)Q定d = (H-h)/hW00，其中h為近軸像高度，H為實(shí)際圖像高度)。在一個(gè)示例性 實(shí)施例中，光學(xué)引擎能夠提供具有4:3格式的影像。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，光學(xué)引擎可 以提供具有16:9格式的影像。本實(shí)用新型被設(shè)計(jì)成在各種背投影應(yīng)用中在較短的距離和極端離軸位置處提供較大的圖像尺寸。另外，此處所述的光學(xué)引擎基本不失真，而且需要較 小到不需要梯形失真較正。 上述實(shí)施例僅用于解釋說明本實(shí)用新型的發(fā)明構(gòu)思，而非對(duì)本實(shí)用新型權(quán)利保護(hù) 的限定，凡利用此構(gòu)思對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均應(yīng)落入本實(shí)用新型的保護(hù)范 圍。
權(quán)利要求一種用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，其特征在于包括光源系統(tǒng)、聚光合光系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、光學(xué)投影成像系統(tǒng)，其中，光源系統(tǒng)包括至少一組單色LED發(fā)光芯片，光學(xué)投影成像系統(tǒng)包括PBS棱鏡、單片時(shí)序LCOS反射式顯示芯片和大廣角定焦投影鏡頭；單色LED發(fā)光芯片發(fā)射出的光，經(jīng)聚光合光系統(tǒng)合并成一束復(fù)合光后進(jìn)入照明系統(tǒng)進(jìn)行整形，整形后再進(jìn)入PBS棱鏡，PBS棱鏡將部分偏振光轉(zhuǎn)折投射在單片時(shí)序LCOS反射式顯示芯片上，形成影像并通過大廣角定焦投影鏡頭，擴(kuò)大投射在背投屏幕上。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，其特征在于所述光源系 統(tǒng)包括三組單色LED發(fā)光芯片；聚光合光系統(tǒng)包括三組分別與該三組單色LED發(fā)光芯片一一對(duì)應(yīng)的聚光鏡組合，以及 將每組聚光鏡組合發(fā)射過來的光束進(jìn)行聚合的光學(xué)元件；照明系統(tǒng)包括沿光路走向依次設(shè)置的下聚光鏡、長(zhǎng)方形的積分柱、上聚光鏡組合。
3. 如權(quán)利要求2所述的用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，其特征在于所述光學(xué)元 件為X棱鏡。
4. 如權(quán)利要求1所述的用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，其特征在于所述光源系 統(tǒng)包括兩組單色LED發(fā)光芯片；聚光合光系統(tǒng)包括兩個(gè)分別與該兩組單色LED發(fā)光芯片一一對(duì)應(yīng)的聚光透鏡陣列，以 及將每個(gè)聚光透鏡陣列發(fā)射過來的光束進(jìn)行聚合的光學(xué)元件；照明系統(tǒng)包括沿光路走向依次設(shè)置的下聚光鏡組合二、長(zhǎng)方形的積分柱、上聚光鏡組合二o
5. 如權(quán)利要求4所述的用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，其特征在于所述光學(xué)元 件為二色鏡。
6. 如權(quán)利要求1所述的用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，其特征在于所述光源系 統(tǒng)包括三組單色LED發(fā)光芯片；聚光合光系統(tǒng)包括三個(gè)分別與該三組單色LED發(fā)光芯片一一對(duì)應(yīng)的聚光鏡，以及將每 個(gè)聚光鏡發(fā)射過來的光束進(jìn)行聚合的光學(xué)元件；照明系統(tǒng)包括沿光路走向依次設(shè)置的兩個(gè)復(fù)眼透鏡陣列、偏振光轉(zhuǎn)換器光學(xué)元件、聚光鏡三。
7. 如權(quán)利要求6所述的用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，其特征在于所述光學(xué)元 件為X棱鏡。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于背投影顯示裝置中的光學(xué)引擎，尤其涉及一種以LED作為投影光源和使用單片LCOS顯示芯片作為投影物像的光學(xué)引擎，包括光源系統(tǒng)、聚光合光系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、光學(xué)投影成像系統(tǒng)，其中，光源系統(tǒng)包括至少一組單色LED發(fā)光芯片，光學(xué)投影成像系統(tǒng)包括PBS棱鏡、單片時(shí)序LCOS反射式顯示芯片和大廣角定焦投影鏡頭；單色LED發(fā)光芯片發(fā)射出的光，經(jīng)聚光合光系統(tǒng)合并成一束復(fù)合光后進(jìn)入照明系統(tǒng)進(jìn)行整形，整形后再進(jìn)入PBS棱鏡，PBS棱鏡將部分偏振光轉(zhuǎn)折投射在單片時(shí)序LCOS反射式顯示芯片上，形成影像并通過大廣角定焦投影鏡頭，擴(kuò)大投射在背投屏幕上。本實(shí)用新型使用壽命長(zhǎng)且生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)G02B27/10GK201464787SQ20092011670
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者沈偉, 譚云 申請(qǐng)人:浙江康為電子技術(shù)有限公司