专利名称：一种大锥角的三色合光装置及其投影系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及投影显示领域，尤其涉及一种大锥角的三色合光装置及其投影系统。
背景技术：
近年来，液晶显影技术已经广泛应用在各种行业中，而随着科技的发展以及人们生活水平的日益提高，液晶投影技术也朝着微型化、轻量化以及高画质方向发展。通常的投影系统采用45度色镜将红光光束、绿光光束以及蓝光光束进行三色光合色，由于LED光源的发散角几乎是180度，经透镜层层压缩，会使合色系统体积很大，而且由于薄膜的偏振效应，使光源组件发出的自然光经过二色镜后，反射光束中P偏振光将损失掉；并且，P偏振光或者S偏振光在光路传输过程中，由于透过率或反射率的问题，本身还存在一部分的光损失，分光镜时截止波长是随着入射角变化而变化的，其单位变化量为 cU/de，该单位变化量是随着入角角的增加而急剧增加的；入射角越小，相同大小的锥角所引起截止波长变化就越小，此时，就需要提高合光效率，避免角度变化所产生的色彩不均勻问题。
发明内容为了解决上述问题，本实用新型提供了一种光能利用率高、色彩均勻性和亮度均勻性好的三色合色装置。为了实现上述目的，本实用新型提供光能利用率高，显示质量好的三色合色装置， 包括出射第一光束的第一光源、出射第二光束的第二光源、出射第三光束的第三光源，设置于所述第一光源与第二光源的输出光路的交汇处、用于使所述第一光束透过、第二光束反射的第一二向色镜，设置于所述第一二向色镜的输出光路径上、用于使第三光束透射、所述第一二向色镜出射光束反射的第二二向色镜，其特征在于所述第二光束、第一二向色镜出射的光束分别对应于第一二向色镜、第二二向色镜以小于30°的入射角。其中，较佳方案为所述第二光束、第一二向色镜出射的光束分别对应于第一二向色镜、第二二向色镜的入射角大致相同。其中，较佳方案为所述第二光束、第一二向色镜出射的光束分别对应于第一二向色镜、第二二向色镜以22. 5°的入射角。本实用新型还包括一种2D投影系统，包括本实用新型的三色合光装置，一偏振转换器，设置于所述三个合光装置的输出光路上，用于把所接收到的光转换成单一偏振状态的偏振光；一偏振分光器，设置于所述偏振转换器后，分离某一偏振光，单片微显示面板，设置于偏振分光器输出的光路上，用于对所接收的偏振光进行调制，转换成与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息；以及一投影透镜，用于接收并投影携有图像信息的另一偏振光。本实用新型还包括一种3D投影系统，包括本实用新型的三色合光装置，一偏振分光器，接收从三色合光装置出射的光束，分离S偏振光和P偏振光，第一单片微显示面板， 设置于S偏振光输出的光路上，用于对所接收的S偏振光进行调制，转换成携有图像信息的P偏振光；第二单片微显示面板，设置于P偏振光输出的光路上，用于对所接收的P偏振光进行调制，转换成携有图像信息的S偏振光；以及一投影透镜，用于接收并投影携有图像信息的P偏振光和S偏振光。这样本实用新型具有的优点由于本实用新型采用入射角为 22. 5°的二色镜，该入射角的膜层不仅可以充分利用光能的同时又保证绿光LED高透过， 不仅截止波长移动小，且亮度和颜色的均勻性好。本实用新型具有的优点由于本实用新型采用入射角为22. 5°的二色镜，该入射角的膜层不仅可以充分利用光能的同时又保证绿光LED高透过，不仅截止波长移动小，且亮度和颜色的均勻性好。
以下结合附图和实施例对本实用新型的结构进一步说明。
图1为本实用新型一种大锥角的三色合光装置的第一实施例的结构原理图。图2为本实用新型一种大锥角的三色合光装置的第二实施例的结构原理图。图3为现有技术通用的45°入射角入射至二向色镜时，产生的不同波长的透过率的曲线图。图4为本实施例的22. 5°入射角入射至二向色镜时，产生的不同波长的透过率的曲线图。图5为包括本实用新型三色合光装置的2D投影系统。图6为包括本实用新型三色合光装置的3D投影系统。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型三色合光装置以及显示系统的实施例进一步说明。
图1为一种大锥角的三色合光装置的第一实施例的结构原理图。如
图1所示该三色合光装置10包括第一光源11、第二光源12、第三光源13、第一二向色镜14以及第二二向色镜15。第一光源11输出第一光束Li，第二光源12输出第二光束L2，第三光源13输出第三光束L3，本实用新型实施方式中，第一光源11为绿光光源，输出第一光束Ll为绿光光束， 第二光源12为蓝光光源，输出第二光束L2为蓝光光束，第三光源13为蓝光光源，输出第三光束L3为红光光束，又，第一光源11包括第一半导体发光元件111，以及用于收集并整形所接受到的第一光束Ll的第一整形镜组112，第二光源12包括第二半导体发光元件121， 以及用于收集并整形所接受到的第二光束L2的第二整形镜组122，第三光源13包括第三半导体发光元件131，以及用于收集并整形所接受到的第三光束L3的第二整形镜组132，本实用新型实施方式中，第一半导体发光元件111、第二半导体发光元件121、第三半导体发光元件131均为发光二极管(LightEmitting Diode)芯片，用于发出180°的光。且，LED 芯片连接有控制器(图中未示出)，用于控制芯片的发光时序，各个芯片的工作频率按微显示面板所需光照参数进行设定，以达到先是最好的颜色视觉效果。又，该LED芯片的数量可以为一个，也可以为以阵列方式排列的多个。采用以阵列方式排列的LED芯片，有利于提高整个照明装置的流明数量，进而增加投影光束的光亮度，此外，第一整形镜组112、第二整形镜组122以及第三整形镜组132均包括单个顺序排列的正透镜。本实用新型实施方式中， 为两个弯月形的正透镜和一个双凸形的正透镜，器材材质为玻璃，顺序排列与第一半导体发光元件111、第二半导体发光元件121、第三半导体发光元件131与第一二向色镜14、第二二向色镜15之间。第一整形镜组112、第二整形镜组122以及第三整形镜组132中正透镜的数量可以根据第一二向色镜14、第二二向色镜15的尺寸进行设计，通常说，二色镜14、 15的尺寸越小，其所需的入射光束的发散角也越小，从LED芯片发出的光束就需要经过更多的正透镜汇聚，并逐步减小入射到二向色镜14、15的发射角，以提高光能的利用率。第一二向色镜14设置于第一光源11与第二光源12的输出光路的交汇处，用于使第一光束Li，即绿光光束透射，使第二光束L2，即蓝光光束反射。第二二向色镜15设置于第一二向色镜14的输出光路上，使得第三光束L3，即红光光束透射，使第一二向色镜14出射的光束，即，绿光光束、蓝光光束反射。本实用新型实施例中，第一二向色镜14、第二二向色镜1平行设置，而第二光源12以及第三光源13设置于第一二向色镜14、第二二向色镜 15的同侧，本实用新型中，第二光束L2以小于30°的入射角入射到第一二向色镜14上、第一二向色镜14输出的光束以小于30°的入射角入射到第二二向色镜15上，以提高光效。图2为利用本实用新型干涉腔的干涉仪的结构示意图，如图2所示该三色合光装置20包括第一光源21、第二光源22、第三光源23、以及包括有两个二色膜的多面棱镜24。其中，所述包括两个二色膜的多面棱镜M由长宽2 1的长方体切除一对对角 M1J42，且切面A、B相互平行，所述对角241、242为直角三角体，其一锐角大致为22. 5° 其中，一对角241旋转180°贴回切面A，所述切面A镀有一第一二色膜M3，反射第一光束 Li，透射第二光束L2，所述切面B镀有一第二二色膜M4，反射第一光束Ll和第二光束L2， 透射第三光束L3。所述第一光源21输出第一光束Ll，第二光源22输出第二光束L2，第三光源23输出第三光束L3，本实用新型实施方式中，第一光源21为绿光光源，输出第一光束Ll为绿光光束，第二光源22为蓝光光源，输出第二光束L2为蓝光光束，第三光源23为蓝光光源，输出第三光束L3为红光光束，又，第一光源21包括第一半导体发光元件211，以及用于收集并整形所接受到得第一光束Ll的第一整形镜组212，第二光源22包括第二半导体发光元件221，以及用于收集并整形所接受到得第二光束L2的第二整形镜组222，第三光源23包括第三半导体发光元件231，以及用于收集并整形所接受到得第三光束L3的第二整形镜组 232，本实用新型实施方式中，第一半导体发光元件211、第二半导体发光元件221、第三半导体发光元件231均为发光二极管(LightEmitting Diode)芯片，用于发出180°的光。且， LED芯片连接有控制器(图中未示出)，用于控制芯片的时序发光各个芯片工作频率按微显示面板所需光照参数进行设定，以达到先是最好的颜色视觉效果。又，改LED芯片的数量可以为一个，也可以为以阵列方式排列的多个。采用多个LED芯片一阵列方式的排列，有利于提高整个照明装置的流明数量，进而增加投影光束的光亮度，此外，第一整形镜组212、第二整形镜组222以及第三整形镜组232均包括单个顺序排列的正透镜。本实用新型实施方式中，为两个弯月形的正透镜和一个双凸形的正透镜，器材质为玻璃，顺序排列与第一半导体发光元件211、第二半导体发光元件221、第三半导体发光元件231与多面棱镜M之间。第一整形镜组212、第二整形镜组222以及第三整形镜组232中正透镜的数量可以根据多面棱镜M的尺寸进行设计，通常说，多面棱镜M的尺寸越小，其所需的入射光束的发散角也越小，从LED芯片发出的光束就需要经过更多的正透镜的汇聚来逐步减小入射到多面棱镜M 的发射角，一提高光能的利用率。第一光源21输出的第一光束Li，即绿光光束，垂直于对角241的长直角边L边入射，第一光源21与第二光源22的输出光路的交汇处于多面棱镜M的第一切面A，该切面A 的第一二色膜243用于使第一光束Li，即绿光光束透射，使第二光束L2，即蓝光光束反射。 合成的绿光光束和蓝光光束出射于切面B的第二二色膜M4，使得第三光束L3，即红光光束透射，使第一二向色膜对3出射的光束，即，绿光光束、蓝光光束反射。本实用新型实施例中，第一光束Li，即绿光光束，以入射角为22. 5°的角度入射于多面棱镜M的第一切面A 的第一二色膜对3，借由第一二色膜243合成的第一光束Ll和第二光束L2以入射角大致为22. 5°的角度射至第二二色膜对4，第三光束L3，即红光光束以入射角大致为22. 5°的角度射至第二二色膜对4，经由第二二色膜将所述第一光束Li，即绿光光束、第二光束L2， 即蓝光光束以及第三光束，即红光光束合成一起输出。本实施例中，所述多面棱镜M的红光光束、绿光光束以及蓝光光束的合光装置用于更大锥角的LED光源合光，其结构和第一实施例的三色平板型类似对应所述多面棱镜 24材质为BK7，红光光束、绿光光束以及蓝光光束的入射角22. 5°对应空气中就是正负35 度(即0度-70度)；该装置可获得70度锥光束合色，从而提高光束的利用率。图3为第一、二二向色镜以K9为基板，在其上镀有45°膜层的绿、蓝、红光束的透过率曲线，如图3所示从右到左入射角分别对应25度，35度，45度，55度，65度，在10% 透过率分别对应504nm ；491nm ；476nm ；460. 5nm ；446nm ；和图5相比较，相同正负10度的锥角差，不仅截止波长移动大，而且偏振影响大，蓝光的反射变坏，绿光的透过也变坏 ’从而影响到亮度和颜色的均勻性。图4为第一、二二向色镜以k9为基材，其上镀有22. 5°膜层的绿、蓝、红光束的透过率曲线，如图4所示；入射角分别是2. 5度、12. 5度、22. 5度、32. 5度、42. 5度.；透过率为10%对应波长分别为508Nnm ；507nm ；500nm ；489nm ；476nm ；其既可保证蓝光LED光能充分利用，又可保证绿光LED高透过性。对比图3和图4不难看出，图4中22.5°膜层在既保证蓝光LED光能充分利用，又保证绿光LED高透过性的同时，其截止波长移动小，且亮度和颜色的均勻性还很好。图5为包括本实用新型三色合光装置的2D显示系统的结构示意图，如图5，三色合光装置20合成的三色光束L，双凸面透镜31将把所接收到的三色合光光束L汇聚于复眼透镜32，且，双凸面透镜31的口径略大于第一光源21的口径，采用口径较大的双凸面透镜 31，有利于光能量的汇聚，复眼透镜32用于接收平行光束、并对平行光束做均勻化处理，偏振转换器33设置于复眼透镜32之后，用于把所接收的光转换成为单一偏振状态的偏振光， 即，偏振转换器33可以将入射的光全部转换成S偏振光或P偏振光，提高光效。偏振转换器33的数量为一个，该偏振转换器33的结构可以为偏振片，也可以由数个连续结合在一起的棱镜组成，在此不再赘述，偏振分光器34设置于三色合光装置20的输出光路上，本实施例中，偏振分光器34为棱镜式偏振分光器，由两个等腰梯形胶合成一等边六方体，在其中间接触面上镀有偏振分光膜层，由该偏振分光膜层形成一个偏振分光面， 该偏振分光面可以将非偏振光转换成偏振光，并分离成S偏振光和P偏振光。当然，该偏振分光器34也可以由其他棱镜胶合而成其他形状，只要能将入射的非偏振光转化成为偏振光出射即可。单片微显示面板35设置于偏振分光器34的出光光路上，用于对所接收到的偏振光进行调制，将该偏振光转换成为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使其另一偏振光携带有图像信息，本实施例中，单片微显示面板35为硅基液晶面板。当单片微显示面板35所接收到得偏振光为P偏振光，经过单片微显示面板35的调制成携有图像信息的S偏振光，且将其反射回偏振分光器34，由偏振分光器34将该S偏振光反射至投影透镜上。图6为包括本实用新型三色合光装置的3D显示系统的结构示意图，如图6，从三色合光装置20射出的光束，经由一透镜41汇聚于一反射镜42上，所述反射镜42将光束反射后借由一透镜43进入一勻光棒44，勻光棒44对光束进行均勻化处理，平行化透镜45将经过均勻化处理后的光束转化成平行光束，偏振分光器46接收非偏振光束，并将该非偏振光束转换成偏振光束，且分离成S偏振光和P偏振光，第一单片微显示面板47设置于S偏振光输出光路上，在将该S偏振光调制成携有图像信息的P偏振光后，将其反射回偏振分光器 46，同理，第二单片微显示面板48设置于P偏振光输出光路上，在将该P偏振光调制成携有图像信息的S偏振光后，将其反射回偏振分光器46，所述偏振分光器46将所述携有图像信息的P偏振光和S偏振光合光至投影透镜上。这样本实用新型具有的优点由于本实用新型采用入射角为22. 5°的二色镜，该入射角的膜层不仅可以充分利用光能的同时又保证绿光LED高透过，不仅截止波长移动小，且亮度和颜色的均勻性好。以上所述者，仅为本实用新型最佳实施例而已，并非用于限制本实用新型的范围， 凡依本实用新型申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本实用新型所涵盖。
权利要求1.一种大锥角的三色合光装置，包括出射第一光束的第一光源、出射第二光束的第二光源、出射第三光束的第三光源，设置于所述第一光源与第二光源的输出光路的交汇处、用于使所述第一光束透过、第二光束反射的第一二向色镜，设置于所述第一二向色镜的输出光路径上、用于使第三光束透射、所述第一二向色镜出射光束反射的第二二向色镜，其特征在于所述第二光束、第一二向色镜出射的光束分别以对应于第一二向色镜、第二二向色镜的入射角小于30°。
2.根据权利要求1所述的大锥角的三色合光装置，其特征在于所述第二光束、第一二向色镜出射的光束分别对应于第一二向色镜、第二二向色镜的入射角大致相同。
3.根据权利要求1所述的大锥角的三色合光装置，其特征在于所述第二光束、第一二向色镜出射的光束分别以对应于第一二向色镜、第二二向色镜的入射角为22. 5°。
4.根据权利要求1所述的大锥角的三色合光装置，其特征在于所述第一二向色镜、第二二向色镜集成于多面棱镜内。
5.根据权利要求4所述的大锥角的三色合光装置，其特征在于所述多面棱镜的材质为 BK7。
6.根据权利要求4所述的大锥角的三色合光装置，其特征在于所述多面棱镜由长宽 2 1的长方体切除一对对角，且切面A、B相互平行，所述对角直角三角体，其一锐角大致为22.5°，其中，一对角，旋转180°贴回切面A，所述切面A镀有一第一二色膜，反射第一光束Li，透射第二光束L2，所述切面B镀有一第二二色膜，，反射第一光束Ll和第二光束L2， 透射第三光束L3。
7.根据权利要求1所述的大锥角的三色合光装置，其特征在于所述第一二向色镜、第二二向色镜平行设置；第二光源、第三光源位于第一二向色镜、第二向色镜的同一侧。
8.根据权利要求1所述的大锥角的三色合光装置，其特征在于所述第一光源、第二光源、第三光源分别出射绿、蓝、红光束。
9.一种2D投影系统，其特征在于包括一权利要求1所述的三色合光装置；一偏振转换器，其设置于所述三个合光装置的输出光路上，用于把所接收到的光转换成单一偏振状态的偏振光；一偏振分光器，其设置于所述偏振转换器后，分离某一偏振光；一单片微显示面板，其设置于偏振分光器输出的光路上，用于对所接收的偏振光进行调制，将该偏振光转换成与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息；以及一投影透镜，其用于接收并投影携有图像信息的另一偏振光。
10.一种3D投影系统，其特征在于包括一如权利要求1所述的三色合光装置；一偏振分光器，其用于接收从三色合光装置出射的光束，分离出S偏振光和P偏振光；第一单片微显示面板，其设置于S偏振光输出的光路上，用于对所接收的S偏振光进行调制，将所述 S偏振光转换成携有图像信息的P偏振光；第二单片微显示面板，其设置于P偏振光输出的光路上，用于对所接收的P偏振光进行调制，将所述P偏振光转换成携有图像信息的S偏振光；以及一投影透镜，其用于接收并投影携有图像信息的P偏振光和S偏振光。
专利摘要本实用新型提供一种大锥角的三色合光装置，包括出射第一光束的第一光源、出射第二光束的第二光源、出射第三光束的第三光源，设置于所述第一光源与第二光源的输出光路的交汇处、用于使所述第一光束透过、第二光束反射的第一二向色镜，设置于所述第一二向色镜的输出光路径上、用于使第三光束透射、所述第一二向色镜出射光束反射的第二二向色镜，其特征在于所述第二光束、第一二向色镜出射的光束分别以对应于第一二向色镜、第二二向色镜的入射角大致为22.5°。由于本实用新型采用入射角为22.5°的二向色镜，该入射角的膜层既可以充分利用光能，又可以保证绿光LED高透过性，不仅其截止波长移动小，而且其亮度和颜色的均匀性好。
文档编号G02B27/26GK202166782SQ20112006645
公开日2012年3月14日 申请日期2011年3月5日 优先权日2010年12月13日
发明者朱朝峰, 王仁贵, 马红虎 申请人:红蝶科技(深圳)有限公司