一种紧凑型反射式液晶投影光引擎系统的制作方法

专利名称：一种紧凑型反射式液晶投影光引擎系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种投影显示系统，尤其涉及一种紧凑型反射式液晶投影显示的光引擎系统。
背景技术：
投影显示已经成为大屏幕高清晰动态显示的主流方式，广泛应用于商务、教育、科研、娱乐以及家庭等重要环节。近些年，随着微电子、光学、加工工艺等诸多技术的迅猛发展，以及现代商务移动办公模式的普及和手持数码产品的增多，微型化又成为投影显示技术发展的新方向。微型投影机具有轻巧和使用方便等显著优点，可与各类消费电子产品相结合，这使得微型投影的应用变得无限广阔。
微型投影机对亮度、分辨率、体积、功耗、成本以及散热等都有严格的要求。要实现高亮度、高分辨率、小体积、低功耗和低成本的微型投影系统，就必须在光源、光调制器件、光学系统和光学器件等多方面做很大的改进甚至革新。目前，微型投影主要以DLP (Digital Lighting Processor)和 LCoS (LiquidCrystal on Silicon)技术为主。DLP和LCoS技术均为阵列反射式投影技术。DLP技术具有反射率高且无需偏振光等优点，但其芯片DMD (Digital Mirror Device)制程极其复杂，为TI公司独家掌控。LCoS技术具有高分辨率和低成本等优势，色彩丰富，图像逼真，加之技术上的开放性，非常适合微型投影对高分辨率和低成本的苛刻要求。但是，由于基于偏振光调制，LCoS投影系统的光能利用率偏低，且体积较大，这已经阻碍了投影系统的微型化。因此，一种小体积且高光利用率的光学系统，成为微型投影发展的诉求。目前的微型投影系统大多采用LED作为照明光源。LED属于冷光源，且具有体积小、寿命长、响应快及节能环保等优点。采用三基色LED作为光源，可以大幅提升投影机的色域表现能力。这些独特的优点，决定了 LED光源在微型显示中的重要地位。但在微型投影应用上，仍然存在LED光通量不高，且单位光学扩展量上的光通量低于传统投影光源，以及发热量过大等问题。随着市场的发展，各LED厂商也在不断开发适用于微型投影的LED光源。例如，欧司朗(OSRAM)在2011年底研制出电光转换效率高达61%的红光LED (主波长为609nm)。在Imm2的芯片，工作电流为40mA时可实现光效高达201 lm/W，而在350mA的典型工作电流下仍可提供168 lm/W的高光效。发光效率越高，芯片面积越小，这给微型投影光学系统设计带来更大的空间。虽然投影用LED光源已有很大的提升，但投影机的输出亮度仍然不高。要进一步提高微型投影的性能，就必须有一个高效的偏振光管理系统——光引擎。为了提高整机亮度和色彩饱和度，现在普遍采用三基色LED作为照明光源。利用LED本身所具有的快速响应特性，为单片式微型投影芯片提供脉冲照明。传统的微型投影光引擎基本采用X-Cube棱镜(US6018418)和双二向分色镜的方法实现。对于X-Cube结构，三基色光源位于其三个边，由于三基色光在光谱上的不同，合成共路光束，从X-Cube的第四边出射。采用双二向分色镜结构，其中的两基色先经过第一块二向分色镜后合成为第三种基色的补色，之后再经过第二块二向分色镜合成为共路光束。X-Cube结构紧凑，光收集率较高，但其合色效率很低。双二向色镜(Dichroic Mirror)合色效率较高，但光收集率低且体积偏大。若改用二向色棱镜(Dichroic Prism)代替二向色镜，虽然光线收集率和合色效率都有所提高，但以体积、重量和成本为代价。此外，无论采用哪种传统的方式合成三基色共路光，都需要经过起偏器产生液晶显示所需的偏振光，这意味着在光源部分就有一半的光能量损失掉，使得整机的光能利用率大大降低。可见，传统的光引擎已经成为微型投影发展的一个瓶颈。申请人:申请的专利(专利申请号为201110168636. 3)提供了一种全新的反射式投影光引擎结构。该结构采用三基色LED照明，利用偏振分束棱镜(PBS: Polarization BeamSplitter)和偏振干涉滤光片组成的偏振整合光路，将不同偏振态的三基色光整合 为同一偏振光并照向图像调制器件。同时采用光回收结构，将第一次未进入后续光路的光经偏振旋转后被重复利用，可有效利用三基色光的两种偏振态。该光引擎光利用率高，但体积和成本上不占优势。若光引擎能保证结构上的紧凑性，又能重复利用光源能量，将极为有利投影系统的微型化。
发明内容本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供了一种紧凑型反射式液晶投影光引擎系统。本实用新型将某种基色的LED光经过偏振器件后的正交偏振光重复利用，在保证结构紧凑的基础上，提升系统的光能利用率。本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的一种紧凑型反射式液晶投影光引擎系统，它包括光源模块，偏振光管理模块，图像信息模块和投影镜头。其中，所述光源模块包括红光LED、绿光LED、蓝光LED、红光匀光器、绿光匀光器、蓝光匀光器，红光LED和红光匀光器相连，绿光LED和绿光匀光器相连，蓝光LED和蓝光匀光器相连。光管理模块由偏振合色单元、聚光透镜、偏振干涉滤光片、PBS等依次同轴排列组成。图像信息模块位于第二PBS的一个直角边，投影镜头位于第二 PBS的出射边。进一步地，所述偏振合色单元由第一 PBS、透红反蓝滤光片、透蓝反红滤光片、宽波段四分之一波片等组成。其中，第一 PBS与聚光透镜同轴，宽波段四分之一波片胶合于第一PBS的红光入射面，再与透红反蓝滤光片相胶合，透蓝反红滤光片胶合于第一 PBS的蓝光入射面。此偏振合色单兀可重复利用红光的两种偏振态的光。从第一 PBS出射的三基色光中，红光和蓝光为第二偏振态,绿光为第一偏振态。后续的偏振干涉滤光片应半波旋转绿光而保持红光和蓝光偏振态不变。同理，可以将绿光LED与红光LED调换位置，用透绿反蓝滤光片代替透红反蓝滤光片，用透蓝反绿滤光片代替透蓝反绿滤光片，实现绿光的重复利用。此时，从第一 PBS出射的三基色中，红光为第一偏振态，绿光和蓝光为第二偏振态。后续的偏振干涉滤光片应半波旋转红光而保持绿光和蓝光偏振态不变。也可以将红光LED与蓝光LED调换位置，用透蓝反红滤光片代替透红反蓝滤光片，用透红反蓝滤光片代替透蓝反红滤光片，实现蓝光的重复利用。此时，从第一 PBS出射的三基色中，绿光为第一偏振态，而红光和蓝光为第二偏振态。由于蓝光在投影系统中的比重较少，因此蓝光的重复利用对系统亮度提升的贡献较小。因此，采用绿光重复利用或红光重复利用的结构有利于投影系统整机売度的提升。进一步地，所述偏振合色单元由第一 PBS、透红反蓝滤光片、透绿反蓝滤光片、透蓝反红绿滤光片、宽波段四分之一波片等组成。其中，第一 PBS与聚光透镜同轴，两个宽波段四分之一波片分别胶合于第一 PBS的红光入射面和绿光入射面，再分别与透红反蓝滤光片和透绿反蓝滤光片相胶合，透蓝反红绿滤光片胶合于第一 PBS的蓝光入射面。此偏振合色单元可重复利用红光和绿光的两种偏振态的光。从第一 PBS出射的三基色光中，绿光为第一偏振态，红光为第二偏振态，蓝光同时具有第一和第二偏振态。后续的偏振干涉滤光片可半波旋转绿光而保持红光偏振态不变。由于蓝光对系统亮度贡献较小，只需利用单一偏振态的光。为了提高入射于调制器件上的光偏振度，可在第二 PBS前加偏振片。同理，将红光LED和透红反蓝滤光片与绿光LED和透绿反蓝滤光片调换位置，也可以实现红光和绿光的重复利用。此时，从第一 PBS出射的三基色中，红光为第一偏振态，而绿光为第二偏振态，蓝光同时具有第一个第二偏振态。后续的偏振干涉滤光片应半波旋转红光而保持绿光偏振态不变。蓝光只需利用单一偏振态的光。此外，可以调换三基色中任意两 种基色LED的位置和对应的基色滤光片，实现任意两种基色光的重复利用。通常，由于绿光和红光对系统的贡献最大，因此采用重复利用红光和绿光的结构，对整机的输出亮度提升最为有利。本实用新型的有益效果是，在三基色LED中，有一种或两种基色的两个偏振态的光能在本实用新型的光引擎中被充分利用。相对于传统投影系统中，一种偏振光被吸收或者浪费的缺点，本系统不仅在体积上有优势，而且系统的光能利用率得到进一步提升。

图I是本实用新型的第一个实施例的紧凑型反射式液晶投影光引擎结构图；图2是本实用新型的第一个实施例中第一基色的光线轨迹和偏振态图；图3是本实用新型的第一个实施例中第二基色的光线轨迹和偏振态图；图4是本实用新型的第一个实施例中第三基色的光线轨迹和偏振态图；图5是本实用新型的第二个实施例的紧凑型反射式液晶投影光引擎结构图；图6是本实用新型的第三个实施例的紧凑型反射式液晶投影光引擎结构图；图7是本实用新型的第三个实施例中第一基色的光线轨迹和偏振态图；图8是本实用新型的第三个实施例中第二基色的光线轨迹和偏振态图；图9是本实用新型的第三个实施例中第三基色的光线轨迹和偏振态图；图中反射式液晶投影显示系统I、光源模块2、偏振光管理模块3、图像信息模块4、投影镜头5、红光LED 21、绿光LED 22、蓝光LED 23、红光匀光器211、绿光匀光器221、蓝光匀光器231、红光光束212、绿光光束222、蓝光光束232、第一 PBS 32、透红反蓝滤光片
321、透绿反蓝滤光片322、透蓝反红滤光片323、透蓝反红绿滤光片324、透蓝反绿滤光片325、宽波段四分之一波片331、第二宽波段四分之一波片332、聚光透镜32、偏振干涉滤光片 33、第二 PBS 34。
具体实施方式
本实用新型包括光源模块，偏振光管理模块，图像信号模块和投影镜头。光源模块提供照明，为了提高投影系统的色彩度和亮度，本实用新型采用三基色(即红、绿、蓝三色)LED。三基色LED本身就产生单色性很好的光，且具有纳秒量级的响应速度，可以为时序式显示提供高效照明。光管理模块包括两个PBS (Polarization Beam Splitter,偏振分束器)和一个偏振干涉滤光片等。红光经过透红反蓝滤光片和宽波段四分之一波片进入第一PBS后,分解成相互正交的第一偏振光和第二偏振光。第二偏振光直接透过第一 PBS进入后续光学系统，而第一偏振光经过透蓝反红滤光片和宽波段四分之一波片组成的重复利用结构后变为第二偏振光，与先前的第二偏振光合并，实现红光的重复利用。绿光进入第一 PBS后，第一偏振态的光直接被反射进入后续光学系统。蓝光经透蓝反红滤光片进入第一 PBS,第一偏振光被反射到透红反蓝滤光片，两次通过宽波段四分之一波片后，第一偏振态的光转变成为第二偏振态的光，再从第一 PBS透射进入后续光学系统。第一偏振态的绿光与第二偏振态红光和蓝光，经偏振干涉滤光片整合成为第二偏振态的三基色光。之后，第二偏振态的三基色光经第二 PBS透射进入图像信号调制模块。图像信号调制模块为一块位于第二PBS 一直角边的反射式液晶图像调制器件LCoS，根据输入的图像信号，对输入三基色光分时序调制，携带图像信息的调制光偏振态旋转90度后，被第二 PBS反射进入投影镜头。投影镜头位于第二 PBS出射边，以放大投影经图像调制器件后携带对应图像信息的光于屏幕上。同理，可以将绿光LED与红光LED位置对调，用透绿反蓝滤光片代替透 红反蓝滤光片，用透蓝反绿滤光片代替透蓝反绿滤光片，实现绿光的重复利用。此时，从第一 PBS出射的三基色中，红光为第一偏振态,绿光和蓝光为第二偏振态。后续的偏振干涉滤光片应半波旋转红光而保持绿光和蓝光偏振态不变。对于只偏振旋转某一基色的光引擎系统，宽波段四分之一波片可以用对应基色四分之一波片代替。在此基础上，为进一步提升光的重复利用。可在第一 PBS的绿光入射面增加透绿反蓝滤光片和宽波段四分之一波片。同时，第一 PBS的蓝光入射面的透蓝反红滤光片变为透蓝反红绿滤光片，以提升绿光的重复利用率。红光经过透红反蓝滤光片和宽波段四分之一波片进入第一 PBS后,分解成相互正交的第一偏振光和第二偏振光。第二偏振光直接透射过第一 PBS进入后续光学系统，而第一偏振光经透蓝反红绿滤光片反射和宽波段四分之一波片后变为第二偏振光，与先前的第二偏振光合并，实现红光的重复利用。绿光进入第一PBS后,第一偏振态的光直接被反射进入后续光学系统，而第二偏振态的光经过透蓝反红绿滤光片后变为第一偏振光，与先前的第一偏振光合并，实现绿光的重复利用。蓝光经透蓝反红绿滤光片进入第一 PBS，第一偏振态的光被反射到透红反蓝滤光片，两次通过宽波段四分之一波片后，第一偏振态的光转变成为第二偏振态的光，再次进入第一 PBS后透射进入后续光学系统。蓝光的第二偏振态的光透射到透绿反蓝滤光片，两次通过宽波段四分之一波片后，第二偏振态的光转变成为第一偏振态的光，再次进入第一 PBS后被反射进入后续光学系统。第一偏振态的绿光与第二偏振态红光，经过偏振干涉滤光片后整合成为第二偏振态的光，蓝光只需利用一种偏振光。之后，第二偏振态的三基色光透过第二 PBS，经图像信号调制模块调制后，被第二 PBS反射进入投影镜头，经放大后投射于屏幕上。本实用新型的技术内容，特性和优点等，将参照附图进行详细描述。在不脱离本实用新型范围的情况下，可以对其作出结构和其他方面的改变，而作为其他实施例。各个实施例及其每个不同实施例的各个方面可以以任何合适的方式组合使用。所以，附图和详叙本质上将被看作是描述性的而非限制性的。应当注意，在不同的示图中，相同器件采用相同的参考数表示。实施例I图I给出了本实用新型的第一个紧凑型反射式液晶投影系统I的实施例，包括光源模块2，偏振光管理模块3，图像信息模块4和投影镜头5。光源模块2包括红光LED 21、绿光LED 22、蓝光LED 23、绿光匀光器211、绿光匀光器221和蓝光匀光器231，红光LED 21和红光匀光器211相连，绿光LED 22和绿光匀光器221相连，蓝光LED 23和蓝光匀光器231相连。红光LED 21、绿光LED 22和蓝光LED 23发射的三基色自然光分别经过红光匀光器211、绿光匀光器221和蓝光匀光器231后收集成为照明所需的小角度矩形光束。光管理模块3由偏振合色单元、聚光透镜32、偏振干涉滤光片33、第二 PBS 34依次同轴排列组成。本实施例中，偏振合色单元由第一 PBS 31、透红反蓝滤光片321、透蓝反红滤光片323和宽波段四分之一波片331组成。 宽波段四分之一波片331胶合于第一 PBS 31的红光入射面，再与透红反蓝滤光片321相胶合，透蓝反红滤光片323胶合于第一 PBS的蓝光入射面。宽波段四分之一波片可将两次通过其的三基色光偏振旋转90度。透红反蓝滤光片321透射红光LED 21发出的红光212，而反射从蓝光LED 23发出的蓝光232。透蓝反红滤光片323透射蓝光LED 23发出的蓝光232，而反射从红光LED 21发出的红光212。聚光透镜32和偏振干涉滤光片33位于第一 PBS 31和第二 PBS 34之间。偏振干涉滤光片33可以实现选择性的光谱偏振旋转，对于期望波段的偏振光旋转90度，而其他波段的偏振光保持偏振态不变，从而实现不同基色偏振光的偏振整合。红光光束212，绿光光束222，蓝光光束232分别代表各基色匀光后的传递方向和对应的偏振态。图像信号模块4为一个反射式液晶投影光调制器件——LCoS芯片，位于第二 PBS36的一个直角边，根据外围控制电路(未画出)提供的图像信号，时序地将红光光束212，绿光光束222和蓝光光束232从第二偏振态调制为第一偏振态，以形成包含每种颜色成分的彩色图像。投影镜头5位于第二 PBS 34的出射边，将经过第二 PBS 34后的携带对应图像信号的红光光束212，绿光光束222和蓝光光束232投影到屏幕上。在本实例中，携带各自图像信号的三基色以3倍于帧数的速度依次通过投影镜头5投射出去。由于人眼无法分辨高速的帧数而合成真彩图像。本实例只给出可行方案中的一种情况，其他光源布置方案也不脱离本实例的精神。在图I的基础上，下面再结合图2、图3和图4来详细解释各基色光从各自光源2出发，如何在光管理模块3中反射和透射，以及偏振态的变化等。图2给出了红光光束212的光线轨迹和偏振态。从红光LED 21发出的光经过红光勻光器211,透红反蓝滤光片321和宽波段四分之一波片331后进入第一 PBS 31。红光被第一 PBS 31分解为相互正交的偏振光束S和P。P光直接透射出去，而S光被反射向蓝光LED 23，透蓝反红滤光片323将红光反射回原路，透过宽波段四分之一波片331和透红返蓝滤光片321后，返回到红光LED 21。经过光源反射后，S偏振的红光再次通过透红反蓝滤光片321和宽波段四分之一波片331。S偏振的红光两次通过宽波段四分之一波片331，其偏振态从S光变为P光，进入第一 PBS 31后透射到后续光学系统。因此，出射的P偏振红光可以看成两部分，一部分是经过第一 PBS 31直接透射的部分，另一部分是本来的S偏振，经过透蓝反红滤光片323和宽波段四分之一波片331偏振转换重复利用的部分。图3给出了的绿光光束222的光线轨迹和偏振态。绿光LED 22发出的光经过绿光匀光器221后直接达到第一 PBS，被分解成相互正交的S光和P光。S偏振的绿光直接被反射出去，而P偏振的绿光则透过第一 PBS 31而不能被后续系统利用。图4给出了的蓝光光束232的光线轨迹和偏振态。蓝光LED 23发出的光经过蓝光匀光器231和透蓝反红滤光片323后到达第一 PBS，被分解为相互正交的S光和P光。S偏振的蓝光被反射向红光LED 21，透过宽波段四分之一波片331后被透红反蓝滤光片321反射，再次经过宽波段四分之一波片331。S偏振的蓝光两次通过宽波段四分之一波片331后，其偏振态从S光变为P光,从第一 PBS 31透射进入后续系统。而P偏振的蓝光则透过第一 PBS 31而不能被后续系统利用。由此可见，从第一 PBS 31出射，经过聚光透镜32达到偏振干涉滤光片33前的三基色偏振态是不同的。红光212和蓝光232为P偏振态，而绿光222为S偏 振态。因此，必须采用具有选择性光谱偏振旋转特性的偏振干涉滤光片33，将三基色光的偏振态整合为同一偏振态。根据本实例的光引擎结构，偏振干涉滤光片33应将绿光222从S光旋转90度后成为P光，而红光212和蓝光232则保持P偏振态不变。经过偏振干涉滤光片33对三基色偏振整合后，入射到第二 PBS 34的三基色光均为P偏振态。为了提高系统的对比度，也可以在第二 PBS 34前加清除偏振片(未画出)。P偏振的三基色光被第二 PBS 34透射后，进入图像调制模块4。图像调制模块4根据输入的图像信号，依次将三基色光从P偏振转变为S偏振，经第二 PBS 34反射后进入到投影镜头5。值得注意，对于本实用新型的投影光学系统I可以做各种修改以满足各种需求。例如，可以改变LED的相对位置，采用不同的滤光片来实现光路整合。根据LED的相对位置和滤光片特性不同，可以实现对红光、绿光或者蓝光的重复利用。相应地，各基色滤光片的特性和偏振干涉滤光片的光谱偏转特性也应该根据光源位置的变化而重新设计。本实例中所采用三基色布局为第一 PBS反射绿光而透过红光和蓝光。这是因为通常PBS的反射率较高，而且透红反蓝滤光片或者透蓝反红滤光片中蓝光和红光的光谱波段较远，对分色薄膜的加工要求低，成本更低。此外，绿光偏振干涉滤光片的光谱带宽也适中，即不会出现色彩混叠，又不会泄露其它基色。本实施例只对某一基色的实现偏振光的重复利用，因此宽波段四分之一波片可以用对应基色四分之一波片代替，以节省成本。实施例2图5给出了本实用新型的第二个紧凑型反射式液晶投影系统I的实施例。相对于第一个实施例，第二个实施例将红光LED 21与红光匀光器件211和绿光LED 22与绿光匀光器件221位置对调，蓝光LED 23和蓝光匀光器件231保持不变。相对应地，用透绿反蓝滤光片322代替透红反蓝滤光片321，用透蓝反绿滤光片325代替透蓝反红滤光片323。本实施例可实现绿光的重复利用，从第一 PBS 31出射的绿光为P偏振态，红光和蓝光为S偏振态。此时，偏振干涉滤光片33应该选择半波旋转绿光而保持红光和蓝光偏振态不变。实施例3图6给出了本实用新型的第三个实施例。与第一个实施例相比，本实施例的不同之处在于偏振合色单元由第一 PBS 31、透红反蓝滤光片321、透绿反蓝滤光片322、透蓝反红绿滤光片324和宽波段四分之一波片331组成。宽波段四分之一波片331和第二宽波段四分之一波片332分别胶合于第一PBS 31的红光入射面和绿光入射面，再分别与透红反蓝滤光片321和透绿反蓝滤光片322胶合，透红反蓝滤光片321位于第一 PBS 31的红光入射面，透绿反蓝滤光片322位于第一 PBS 31的绿光入射面。透蓝反红绿滤光片324胶合于第一 PBS 31的蓝光入射面。透红反蓝滤光片321透射红光LED 21发出的红光212，而反射从蓝光LED 23发出的蓝光232。透绿反蓝滤光片322透射绿光LED 22发出的绿光222，而反射从蓝光LED 23发出的蓝光232。透蓝反红绿滤光片324透射蓝光LED 23发出的蓝光232，而反射从红光LED 21发出的红光212和绿光LED 22发出的绿光222。聚光透镜32和偏振干涉滤光片33位于第一 PBS 31和第二 PBS 34之间。偏振干涉滤光片33可以实现选择性的光谱偏振旋转，对于期望波段的偏振光旋转90度，而其他波段的偏振光保持偏振态不变，从而实现不同光谱基色偏振光的偏振整合。红光光束212，绿光光束222，蓝光光束232分别代表各基色匀光后的传递方向和对应的偏振态。
图7给出了第三个实施例中红光212的光线轨迹和偏振态。从红光LED 21发出的光经过红光匀光器211，透红反蓝滤光片321和宽波段四分之一波片331后进入第一 PBS31。红光被第一 PBS 31分解为相互正交的偏振光束S和P。P光直接透射出去，而S光被反射向蓝光LED 23，透蓝反红绿滤光片324将红光原路反射回去，经第一 PBS 31反射后依次透过宽波段四分之一波片331和透红返蓝滤光片321，返回到红光LED 21。经过光源反射后，S偏振的红光再次通过透红反蓝滤光片321和宽波段四分之一波片331。S偏振的红光两次通过宽波段四分之一波片331后,其偏振态从S光变为P光,从第一 PBS 31透射,并与之前直接出射的P偏振红光合并。因此，出射的P偏振红光可以看成两部分，一部分是经过第一 PBS 31直接透射的部分，另一部分是本来的S偏振，经过宽波段四分之一波片331和透蓝反红绿滤光片324偏振转换重复利用的部分。图8给出了第三个实施例中绿光222的光线轨迹和其偏振态。从绿光LED 22发出的光经过绿光匀光器221，透绿反蓝滤光片322和宽波段四分之一波片331后进入第一 PBS31。绿光被第一 PBS 31分解为相互正交的偏振光束S和P。S光直接反射出去，而P光则透射向蓝光LED 23，透蓝反红绿滤光片324将绿光原路反射回去，经第一 PBS 31透射后依次透过第二宽波段四分之一波片332和透绿返蓝滤光片322，返回到绿光LED 22。经过光源反射后，P偏振的绿光再次通过透绿反蓝滤光片322和宽波段四分之一波片331。P偏振的绿光两次通过第二宽波段四分之一波片332后，其偏振态从P光变为S光，从第一PBS 31反射出去，并与之前直接反射的S偏振的绿光合并。因此，出射的S偏振的绿光可以看成两部分，一部分是经过第一 PBS 31直接反射的部分，另一部分是本来的P偏振，经过宽波段四分之一波片331和透蓝反红绿滤光片324偏振转换重复利用的部分。图9给出了第三个实施例中蓝光232的光线轨迹和其偏振态。从蓝光LED 22发出的光经过蓝光匀光器231和透蓝反红绿滤光片324后进入第一 PBS 31。绿光被第一 PBS31分解为相互正交的偏振光束S和P。S光反射向红光LED 21，而P光则透射向绿光LED22。S偏振的蓝光经过宽波段四分之一波片331后被透红反蓝滤光片321反射再次经过宽波段四分之一波片331。两次通过宽波段四分之一波片331，S偏振态的蓝光变成P偏振态直接透过第一 PBS 31进入后续光学系统。P偏振的蓝光经过第二宽波段四分之一波片332后被透绿反蓝滤光片322反射再次经过第二宽波段四分之一波片332。两次通过宽波段四分之一波片，P偏振态的蓝光变成S偏振态被第一 PBS 31反射进入后续光学系统。因此，从第一 PBS出射的蓝光同时具有S和P偏振。但对于后续光学系统，只能利用其中一种偏振态的光。可以选择与绿光相同的S偏振态，也可以选择与红光相同的P偏振态，相应的偏振干涉滤光片的偏振旋转特性也有所不同。也即是说，蓝光只能利用一种偏振态的光，而另一种偏振态的光则不能被重复利用。其实，在实际的投影系统中，蓝光所占的比重较少，即便不重复利用对整机的输出亮度影响也不大，而且使得系统体积减小30%，这对于投影系统的微型化是有益的。值得注意，对于本实用新型的投影光学系统I可以做各种修改以满足各种需求。例如，可以改变LED的相对位置，采用不同的滤光片来实现光路整合。根据LED的相对位置和滤光片特性不同，可以实现对红光、绿光和者蓝光三基色中的两种基色光的重复利用。相应地，偏振干涉滤光片的选择性光谱偏转特性也应该根据光源位置的变化而重新设计。本实例中所采用三基色布局为第一 PBS反射绿光而透过红光和蓝光。这是因为通常PBS的反射率较高，因此有利于投影中比重最大的绿光。此外，绿光偏振干涉滤光片的光 谱带宽也适中，即不会出现色彩混叠，又不会泄露其它基色。虽然已经参照所述实施例描述了本实用新型的各种特性和优点，但本领域技术人员将会理解，可以对其部件的形状，尺寸和布局等作出改变，而不会脱离本实用新型的精神和范围。实例中，虽然已经显示了具体的组件类型，但也可以使用其它类似的和合适的替代物。因此，以上描述意在提供本实用新型的示范实施例，而本实用新型范围并不受此提供的具体范例的限制。
权利要求1.一种紧凑型反射式液晶投影光引擎系统，它包括光源模块(2)，偏振光管理模块(3 )，图像信息模块(4 )和投影镜头(5 )，所述光源模块(2 )包括红光LED( 21)、绿光LED( 22 )、蓝光LED (23)、红光匀光器(211)、绿光匀光器(221)和蓝光匀光器(231)，红光LED (21)和红光匀光器(211)相连，绿光LED (22)和绿光匀光器(221)相连，蓝光LED (23)和蓝光匀光器(231)相连；光管理模块(3)由偏振合色单元、聚光透镜(32)、偏振干涉滤光片(33)、第二 PBS (34)依次同轴排列组成；其特征在于，偏振合色单元由第一 PBS (31)、透红反蓝滤光片(321)、透蓝反红滤光片(323)和宽波段四分之一波片(331)组成，红光LED (21)发出的红光依次透过透红反蓝滤光片(321)和宽波段四分之一波片(331)进入第一 PBS (31)后，P偏振态的光直接透射出去，S偏振态的光依次经第一 PBS (31)、透蓝反红滤光片(323)和第一 PBS (31)反射后，透过宽波段四分之一波片(331)和透红反蓝滤光片(321)进入红光LED (21)，被红光LED (21)反射后再次透过透红反蓝滤光片(321)和宽波段四分之一波片(331)，变成P偏振态的光从第一 PBS (31)透射出去；绿光LED (22)发出的绿光进入第一PBS (31)后，S偏振态的光直接被反射出去；蓝光LED (23)发出的蓝光透过透蓝反红滤光片(323)进入第一 PBS (31)后，S偏振态的光由第一 PBS (31)反射,透过宽波段四分之一波片(331)，由透红反蓝滤光片(321)反射后再次透过宽波段四分之一波片(331)变成P偏振态的光，从第一 PBS (31)透射出去；从第一 PBS (31)出来的光依次透过聚光透镜(32)、偏振干涉滤光片(33)和第二 PBS (34)后，由图像信息模块(4)反射回第二 PBS (34)，再由第二 PBS (34)反射至投影镜头(5)。
2.一种紧凑型反射式液晶投影光引擎系统，它包括光源模块(2)，偏振光管理模块(3 )，图像信息模块(4 )和投影镜头(5 )，所述光源模块(2 )包括红光LED( 21)、绿光LED( 22 )、蓝光LED (23)、红光匀光器(211)、绿光匀光器(221)和蓝光匀光器(231)，红光LED (21)和红光匀光器(211)相连，绿光LED (22)和绿光匀光器(221)相连，蓝光LED (23)和蓝光匀光器(231)相连；光管理模块(3)由偏振合色单元、聚光透镜(32)、偏振干涉滤光片(33)、第二 PBS (34)依次同轴排列组成；其特征在于，偏振合色单元由第一 PBS (31)、透绿反蓝滤光片(322)、透蓝反绿滤光片(325)和宽波段四分之一波片(331)组成，绿光LED (22)发出的绿光依次透过透绿反蓝滤光片(322)和宽波段四分之一波片(331)进入第一 PBS (31)后，P偏振态的光直接透射出去，S偏振态的光依次经第一 PBS (31)、透蓝反绿滤光片(325)和第一 PBS (31)反射后，透过宽波段四分之一波片(331)和透绿反蓝滤光片(322)进入绿光LED (22)，被绿光LED (22)反射后再次透过透绿反蓝滤光片(322)和宽波段四分之一波片(331)，变成P偏振态的光从第一 PBS (31)透射出去；红光LED (22)发出的红光进入第一PBS (31)后，S偏振态的光直接被反射出去；蓝光LED (23)发出的蓝光透过透蓝反绿滤光片(325)进入第一 PBS (31)后，S偏振态的光由第一 PBS (31)反射,透过宽波段四分之一波片(331)，由透绿反蓝滤光片(322)反射后再次透过宽波段四分之一波片(331)变成P偏振态的光，从第一 PBS (31)透射出去；从第一 PBS (31)出来的光依次透过聚光透镜(32)、偏振干涉滤光片(33)和第二 PBS (34)后，由图像信息模块(4)反射回第二 PBS (34)，再由第二 PBS (34)反射至投影镜头(5)。
3.一种紧凑型反射式液晶投影光引擎系统，它包括光源模块(2)，偏振光管理模块(3)，图像信息模块(4)和投影镜头(5)，所述光源模块(2)包括红光LED (21)、绿光LED(22)、蓝光LED (23)、红光匀光器(211)、绿光匀光器(221)和蓝光匀光器(231)，红光LED(21)和红光匀光器(211)相连，绿光LED (22)和绿光匀光器(221)相连，蓝光LED (23)和蓝光勻光器(231)相连；光管理模块(3)由偏振合色单兀、聚光透镜(32)、偏振干涉滤光片(33)、第二 PBS (34)依次同轴排列组成；其特征在于，偏振合色单元由第一 PBS (31)、透红反蓝滤光片(321)、透蓝反红绿滤光片(324)、透绿反蓝滤光片(322)、宽波段四分之一波片(331)和第二宽波段四分之一波片(332)和组成；红光LED (21)发出的红光依次透过透红反蓝滤光片(321)和宽波段四分之一波片(331)进入第一 PBS (31)后，P偏振态的光直接透射出去，S 偏振态的光依次经第一 PBS (31)、透蓝反红绿滤光片(324)和第一 PBS (31)反射后，透过宽波段四分之一波片(331)和透红反蓝滤光片(321)进入红光LED (21)，被红光LED (21)反射后再次透过透红反蓝滤光片(321)和宽波段四分之一波片(331)，变成P偏振态的光从第一 PBS (31)透射出去；绿光LED (22)发出的绿光进入第一 PBS (31)后，依次透过透绿反蓝滤光片(322)和第二宽波段四分之一波片(332)进入第一 PBS (31)后，S偏振态的光直接被第一 PBS (31)反射出去，P偏振态的光透过第一 PBS (31)、由透蓝反红绿滤光片(324)反射后再依次透过第一 PBS (31)，第二宽波段四分之一波片(332)和透绿反蓝滤光片(322)进入绿光LED (22)，被绿光LED (22)反射后再次透过透绿反蓝滤光片(322)和第二宽波段四分之一波片(332)，变成S偏振态的光从第一 PBS (31)反射出去；蓝光LED(23)发出的蓝光透过透蓝反红绿滤光片(324)进入第一 PBS (31)后，S偏振态的光由第一PBS (31)反射，透过宽波段四分之一波片(331)，由透红反蓝滤光片(321)反射后再次透过宽波段四分之一波片331变成P偏振态的光,从第一 PBS (31)透射出去，P偏振态的光由第一 PBS (31)透射，透过第二宽波段四分之一波片(332)，由透绿反蓝滤光片(322)反射后再次透过第二宽波段四分之一波片(332)变成S偏振态的光，从第一 PBS (31)反射出去；从第一 PBS (31)出来的光依次透过聚光透镜(32)、偏振干涉滤光片(33)和第二 PBS (34)后，由图像信息模块(4)反射回第二 PBS (34)，再由第二 PBS (34)反射至投影镜头(5)。
专利摘要本实用新型提供了一种紧凑型的反射式液晶投影光引擎系统。该光引擎系统由光源模块，偏振光管理模块，图像信号模块和投影镜头组成。光源模块由三基色固体光源和匀光器件组成，为投影提供色彩饱和的三基色照明。偏振光管理模块由偏振分束棱镜(PBS)，基色滤光片及偏振合色器件等组成，将不同偏振态的三基色光整合为同一偏振光并重复利用某种基色的另一偏振光，以提升光学利用率；图像信号模块为单片反射式液晶光调制器件，根据各基色对应的图像信号，时序地将图像信号加载于三基色偏振光；投影镜头将携带图像信号的光投影于屏幕上。
文档编号G02B27/09GK202583680SQ20122016950
公开日2012年12月5日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者陆巍, 贺银波 申请人:杭州研明光电技术有限公司