光学引擎照明系统.pdf

一种用于投影技术领域的光学引擎照明系统，光源置于椭球型反光碗一个焦点上，其光束汇聚在椭球型反光碗另一个焦点，形成系统的入射白光光斑；或照明光源置于抛物线型反光碗焦点上，其光束经抛物线型反光碗反射后近似平行出射，经汇聚形成系统的入射白光光斑，白光光斑入射到后端非阵列偏振棱镜组，输出光束偏振态由非阵列偏振棱镜组控制，经非阵列偏振棱镜组转换的偏振光入射到位于非阵列偏振棱镜组沿光束出射方向的位置的光栅器件上，通过光栅将白光在空间上分成色谱光，再通过光棒器件将色谱光收集，色谱光束在光棒器件内进行多次反射匀光，在光棒器件输出端形成矩形均匀光斑。本发明制造简单、成本低廉、实用。

1、  一种光学引擎照明系统，包括：光源(1)、椭球型或抛物线型反光碗(2)、非阵列偏振棱镜组(3)、光棒器件(5、6、7)，其特征在于，还包括：光栅器件(4)，光源(1)置于椭球型反光碗(2)的一个焦点上，其光束汇聚在椭球型反光碗(2)的另一个焦点，形成系统的入射白光光斑；或是照明光源(1)置于抛物线型反光碗(2)的焦点上，其光束经抛物线型反光碗(2)反射后近似平行出射，经汇聚形成系统的入射白光光斑，白光光斑入射到后端的非阵列偏振棱镜组(3)，输出光束的偏振态由胶合的非阵列偏振棱镜组(3)控制，经非阵列偏振棱镜组(3)转换的偏振光入射到光栅器件(4)上，光栅器件(4)位于非阵列偏振棱镜组(3)沿光束出射方向的位置上，通过光栅器件(4)将白光在空间上分成各个色谱，之后再通过光棒器件(5、6、7)分别将所需的色谱光收集，每束光所含光谱范围通过移动光棒器件(5、6、7)的位置来调整，各个色谱光束在光棒器件(5、6、7)内进行多次反射匀光，在光棒器件(5、6、7)输出端形成均匀光斑。

2、  根据权利要求1所述的光学引擎照明系统，其特征是，所述的非阵列偏振棱镜组(3)的胶合分束面将入射平行光分解为透射P分量和反射S分量，其中S分量经棱镜再次反射后沿原光轴方向出射，而P分量经半波片转相成S分量，或P分量直接出射，S分量经半波片转相成P分量。

3、  根据权利要求1或2所述的光学引擎照明系统，其特征是，所述的非阵列偏振棱镜组(3)，为多种结构组合，其中包括平行四边形棱镜与直角等腰三角棱镜组合，包括能实现将入射光先分解成P分量和S分量，然后又使这两个分量以同一方向和同一偏振态出射的任何棱镜组合。

4、  根据权利要求1所述的光学引擎照明系统，其特征是，或者增加准直光学元件(8)及透镜组(9)，准直光学元件(8)在椭球型或抛物线型反光碗(2)后端，并与其共轴，入射白光光斑经过准直光学元件8调制后以小发散角光束入射到非阵列偏振棱镜组(3)上，透镜组(9)位于光栅器件(4)与三光棒器件(5、6、7)输入端之间。

5、  根据权利要求1所述的光学引擎照明系统，其特征是，所述的光栅器件(4)是任何能实现光栅分光功能的配置组合，如平面光栅或曲面光栅，优选凹面闪耀光栅，并以线偏振光入射。

6、  根据权利要求1所述的光学引擎照明系统，其特征是，所述的光棒器件(5、6、7)是光线在固体透光介质内部传播的实心棒，或者是光线在由固体反射界面围成的空气空间中反射的空心棒，光棒器件(5、6、7)为细长形六面柱体棱镜，或者是锥体棱镜，光棒器件(5、6、7)的入射端面为正方形或长方形。

7、  根据权利要求6所述的光学引擎照明系统，其特征是，所述的实心棒，包括相互垂直的两个主截面均为矩形的柱形光棒，或相互垂直的两个主截面均为梯形的锥形光棒，以及其中一个主截面为矩形、与之垂直的另一个主截面为梯形的锥形光棒。

8、  根据权利要求6所述的光学引擎照明系统，其特征是，所述的空心棒，包括两个相互垂直的主截面均为矩形的柱形光棒，以及其中一个主截面为矩形，与之垂直的另一个主截面为梯形的锥形光棒，空心柱形光棒界面和空心锥形光棒界面，镀反射膜。

光学引擎照明系统
技术领域
本发明涉及一种光学引擎照明系统，特别是一种含有光栅和光棒器件的光学引擎照明系统，用于投影技术领域。
背景技术
照明系统是投影显示装置光学引擎的重要组成部分，对投影显示装置的成本和主要性能指标有很大影响。光学引擎对光照明系统的要求很高，主要包括：全视场范围内的照度要非常均匀，光能利用率尽可能大，照明光场是偏振度非常高的线偏振光，照明光的色谱范围很宽且强度均衡，各色谱通道线偏振光的振动方向可按需要调整等。
经对现有技术的公开文献检索发现，美国专利US5986809，专利名称：Polarization conversion element，polarization illuminator，display usingthe same illuminator，and projection type display(偏振转换元件、偏振照明器及包含该器件的投影显示装置)，该专利采用蝇眼透镜阵列，称为PCS(Polarizing Convert System)阵列的偏振光束分离转换器以及作为分光元件的二向色镜，加上抛物面型反光碗的光源组，构成光学引擎的照明光学系统。蝇眼透镜阵列是由很多个单元透镜复合而成的透镜组，它对照明空间的光强分布进行空间分割，每一透镜单元都将它所覆盖的不均匀光场投射到LCD或LCoS芯片有效视场范围内，适当增加单元数，可提高混光均匀性；PCS阵列的每一单元正好与后蝇眼透镜阵列的对应单元匹配，每一PCS单元不仅使非偏振光分解为P、S两个线偏振分量，又分别将其转化为同一出射方向和同一偏振态(或P，或S)的线偏振光输出。传统投影显示装置所采用的蝇眼透镜阵列、PCS阵列光源和二向色镜分光系统，存在着工艺技术复杂、产品合格率低和成本高等难题，且使用二向色镜分光系统的投影画面存在偏色等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种光学引擎照明系统，使之具有制造简单、成本低廉和实用化等优点，使用于正投影显示装置和背投影显示装置。为实现这样的目的，本发明设计的光学引擎照明系统，摒弃传统的蝇眼透镜阵列、PCS阵列和二向色镜，而由光栅器件实现各色谱的分光，由光棒器件实现各色谱独立的匀光(即所谓“光积分”)，而输出光偏振态的控制则由非阵列结构的偏振棱镜完成。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括：光源、椭球型或抛物线型反光碗、非阵列偏振棱镜组、光栅器件、光棒器件。光源置于椭球型反光碗的一个焦点上，其光束汇聚在椭球型反光碗的另一个焦点，形成系统的入射白光光斑；或是照明光源置于抛物线型反光碗的焦点上，其光束经抛物线型反光碗反射后近似平行出射，经汇聚形成系统的入射白光光斑。白光光斑入射到后端的非阵列偏振棱镜组，输出光束的偏振态由胶合的非阵列偏振棱镜组控制，偏振度取决于入射光的平行度，棱镜组的胶合分束面将入射平行光分解为透射P分量和反射S分量，其中S分量经棱镜再次反射后沿原光轴方向出射，而P分量经半波片转相成S分量(或P分量直接出射，S分量经半波片转相成P分量)，光能利用率大幅提高。已转换成特定分量的偏振光入射到光栅器件上，光栅器件位于非阵列偏振棱镜组沿光束出射方向的位置上，利用光栅的分光功能将白光在空间上分成不同色谱，之后用多个(一般为三个)光棒器件分别将所需的色谱光收集，一般分为红绿蓝三束光，每束光所含光谱范围可以通过移动光棒器件的位置来调整，不同色谱光束在光棒内进行多次反射匀光，即所谓光积分平均，在光棒输出端形成矩形均匀光斑。
所述的控制光束偏振态的非阵列偏振棱镜组，可取多种结构组合，其中包括平行四边形棱镜与直角等腰三角棱镜组合，包括能实现将入射光先分解成P分量和S分量，然后又使这两个分量以同一方向和同一偏振态出射的其它棱镜组合。
光栅器件可以是平面光栅或曲面光栅，任何可以实现光栅分光功能的配置组合均包含在本发明范围内。最优选方案为凹面闪耀光栅，并以线偏振光入射，这样可以提高光能利用率，并有效减少整个系统体积。
光棒器件可以是光线在玻璃、塑料等固体透光介质内部传播的实心棒，也可以是光线在由固体反射界面围成的空气空间中反射的空心棒；光棒器件可以为细长形六面柱体棱镜，也可以是锥体棱镜；光棒器件的入射端面为正方形或长方形，出射端面的长宽比可以按照后续光路配置的不同而和LCD芯片或LCoS芯片的长宽比相同，或是具有其他的长宽比；入射端面和出射端面可以互相平行，也可以不平行。所说的实心棒，包括相互垂直的两个主截面(含主光轴的面)均为矩形的柱形光棒，或相互垂直的两个主截面均为梯形的锥形光棒，以及其中一个主截面为矩形、与之垂直的另一个主截面为梯形的锥形光棒。柱形棒表面和锥形棒前后两个通光表面，可镀增透膜，也可不镀膜；其余四个表面可以镀膜，也可以不镀膜。所说的空心棒，包括两个相互垂直的主截面(含主光轴的面)均为矩形的柱形光棒，以及其中一个主截面为矩形，与之垂直的另一个主截面为梯形的锥形光棒。空心柱形光棒界面和空心锥形光棒界面，通常都镀反射膜。
本发明具有制造简单、成本低廉和实用化等特点。采用光栅和光棒器件实现照明光场的匀光，其结构比传统的蝇眼透镜阵列简单得多，加工和装校工艺也大为简化，有利于降低成本，同时可压缩光斑尺寸和发散角，从而提高光源利用率。此外，使用非阵列地偏光棱镜组实现全光场的偏振输出，其结构和技术难度也比传统的PCS阵列简单，成本也低得多。
本发明适用于透射式LCD芯片和反射式LCoS芯片组成的正投投影显示装置或背投投影显示装置。
附图说明
图1是本发明的光学引擎照明系统结构示意图。
图2是本发明的光学引擎照明系统具体实施例的结构示意图。
图3是含有本发明光学引擎照明系统的投影显示装置实施例一的结构示意图。
图4是含有本发明光学引擎照明系统的投影显示装置实施例二的结构示意图。
图5是含有本发明光学引擎照明系统的投影显示装置实施例三的结构示意图。
图6是含有本发明光学引擎照明系统的投影显示装置实施例四的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：白光光源1、椭球型反光碗2、非阵列偏振棱镜组3、光栅器件4、光棒器件5、6、7。白光光源1置于椭球型反光碗2的一个焦点上，其白光光束汇聚于椭球型反光碗的另一个焦点处，形成系统的入射光斑。入射光斑入射到非阵列偏振棱镜组3上，非阵列偏振棱镜组3的分束面将入射光分解为透射P分量和反射S分量，其中S分量经棱镜再次反射后沿光轴方向出射，而P分量经半波片后转换为S分量。如将半波片移至棱镜下方，则系统输出P偏振光。得到的特定偏振光继续入射到凹面闪耀光栅器件4上，凹面闪耀光栅器件4将白色光束分光，白色光束在空间上按照不同色谱排列，被三光棒器件5、6、7收集，其中光棒器件5收集红色光，光棒器件6收集绿色光，光棒器件7收集蓝色光，每色光所含光波波段范围可以通过移动三光棒器件的位置来调节。红绿蓝三束光分别在三光棒器件5、6、7中多次反射匀光，在三光棒器件5、6、7输出端口处分别得到均匀的红绿蓝光束输出。
如图2所示，为本发明的光学引擎照明系统具体实施例的结构示意图，在图1基础上增加了准直光学元件8及透镜组9。准直光学元件8在椭球型反光碗2后端，并与其共轴，透镜组9位于光栅器件4与三光棒器件5、6、7输入端之间，白光光源1置于椭球型反光碗2的一个焦点上，其白光光束汇聚于椭球型反光碗2的另一个焦点处，形成系统的入射光斑。入射光斑经过准直光学元件8调制后以小发散角光束入射到非阵列偏振棱镜组3上，非阵列偏振棱镜组3的分束面将入射光分解为透射P分量和反射S分量，其中S分量经棱镜再次反射后沿光轴方向出射，而P分量经半波片后转换为S分量。如将半波片移至棱镜下方，则系统输出P偏振光。得到的特定偏振光继续入射到凹面闪耀光栅器件4上，凹面闪耀光栅器件4将白色光束分光，白色光束在空间上按照不同色谱排列，再经过透镜组9后被三光棒器件5、6、7收集，其中光棒器件5收集红色光，光棒器件6收集绿色光，光棒器件7收集蓝色光，每色光所含光波波段范围可以通过移动三光棒器件的位置来调节。红绿蓝三束光分别在三光棒器件5、6、7中多次反射匀光，在三光棒器件5、6、7输出端口处分别得到均匀的红绿蓝光束输出。
如图3所示，为含有本发明光学引擎照明系统的投影显示装置实施例一的结构示意图，系配合三片透射式LCD芯片构成的三镜头式液晶投影显示装置，可以用于前投或背投投影显示装置。图中元件1-9均与图2中相同。在三光棒器件输出端口处分别得到均匀的红绿蓝光束输出后，红绿蓝三光束通过透镜组10后分别照射到透射式LCD芯片组件11、12、13上，经过透射式LCD芯片组件11、12、13调制后，分别通过三镜头14、15、16投影至屏幕17上，经过调制的红绿蓝三图像在屏幕17上进行合光，得到彩色图像。
图4所示为含有本发明光学引擎照明系统的投影显示装置实施例二的结构示意图，系配合三片反射式LCoS芯片构成的三镜头式液晶投影显示装置，可以用于前投或背投投影显示装置。图中元件1-9均与图2中相同。在三光棒器件输出端口处分别得到均匀的红绿蓝光束输出后，红绿蓝三光束通过透镜组18、19、20后分别通过三偏振光分束器21、22、23照射到反射式LCoS芯片组件24、25、26上，经过反射式LCoS芯片组件24、25、26调制后，分别通过三偏振光分束器21、22、23和三镜头27、28、29投影至屏幕17上，经过调制的红绿蓝三图像在屏幕17上进行合光，得到彩色图像。
图5所示为含有本发明光学引擎照明系统的投影显示装置实施例三的结构示意图，系配合单片透射式LCD芯片构成的单镜头式液晶投影显示装置，可以用于前投或背投投影显示装置。图中元件1-9均与图2中相同。在三光棒器件输出端口处分别得到均匀的红绿蓝光束输出后，红绿蓝三光束通过透镜组10后照射旋转棱镜器件30上，通过旋转棱镜器件30作用的三色光束再通过透镜组31后照射到透射式LCD芯片组件32，三色光在透射式LCD芯片组件32上分别照明一矩形区域，此矩形区域长边大于LCD芯片的某一边，经过透射式LCD芯片组件32调制后的三色光束再由镜头33投影至屏幕17上成像。转动旋转棱镜器件30，则三色光在透射式LCD芯片组件32上照明的三矩形区域以某一方向滚动，旋转棱镜器件30连续转动，则三矩形区域依次覆盖过LCD芯片的全部有效通光表面，此时在屏幕17上可以得到全视场的彩色图像。
图6所示为含有本发明光学引擎照明系统的投影显示装置实施例四的结构示意图，系配合单片透射式LCoS芯片构成的单镜头式液晶投影显示装置，可以用于前投或背投投影显示装置。图中元件1-9均与图2中相同。在三光棒器件输出端口处分别得到均匀的红绿蓝光束输出后，红绿蓝三光束通过透镜10后照射旋转棱镜器件30上，通过旋转棱镜器件30作用的三色光束再通过透镜组34、35及偏振光分束器36后照射到反射式LCoS芯片组件37，三色光在反射式LCoS芯片组件37上分别照明一矩形区域，此矩形区域长边大于LCoS芯片的某一边，经过反射式LCoS芯片组件37调制后的三色光束透射过偏振光分束器36后由镜头38投影至屏幕17上成像。转动旋转棱镜器件30，则三色光在反射式LCoS芯片组件37上照明的三矩形区域以某一方向滚动，旋转棱镜器件30连续转动，则三矩形区域依次覆盖过LCoS芯片的全部有效通光表面，此时在屏幕17上可以得到全视场的彩色图像。