基于偏振光复用的微型光学引擎系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于投影显示【技术领域】，具体为一种基于偏振光复用的微型光学引擎系统。其特征在于：照明光源发出的光束经过锥形光棒的匀光和预准直后被准直透镜组再准直，匀光准直后的光束经偏振光转换器后从非偏振光转换成一种偏振态的偏振光，经后续的中继透镜组和PBS棱镜被收集传递至微显示芯片表面并形成均匀的准直照明，微显示芯片上的图像再经过投影物镜放大成像在屏幕上。本发明照明光源发出的光束在进入PBS棱镜前便已经转换为同一偏振态的偏振光，从而将另一偏振态的偏振光也再次利用起来，避免了传统液晶类型的微型光引擎照明系统中的光束进入PBS棱镜后有近一半的另一偏振态的光被浪费掉的情况。
【专利说明】基于偏振光复用的微型光学引擎系统
【技术领域】
[0001]本发明属于投影显示【技术领域】，具体为一种基于偏振光复用的微型光学引擎系统。
【背景技术】
[0002]投影技术发源于19世纪早期，是在19世纪末20世纪初电影的发明和流行的基础上推广开来的。目前，微显示芯片的投影显示技术的出现，使得小型化和高分辨率的投影显示成为可能。基于微显示芯片的投影显示技术是将对角线尺寸为0.20-0.60英寸的微显示芯片所产生的图像放大后投影在屏幕上。它结合了光学和成熟的半导体技术，是一种性价比高的实现大尺寸高分辨率显示的途径。
[0003]对于当前的微型投影光引擎而言，要保持较低成本，液晶类型(LCoS及LCD)的微型投影光引擎是很好的选择，但在这类型光引擎中有一半左右的偏振光无法被利用，光引擎的亮度是制约其应用范围的最大障碍。因此，如何解决液晶类型微型投影光引擎的光效率问题就显得至关重要。
[0004]目前，提高微型投影光引擎效率的方法是应用复眼PCS(偏振转换系统)、偏振干涉滤光片及高分子偏振光转换膜等。具体专利:专利1:CN 101782688 A ;专利2:CN102141723 A ;专利 3:CN 103293843 A ;专利 4:CN 102998884 A ;专利 5:CN 202583680 U ；专利6:CN 102314066 A。但应用偏振干涉滤光片及高分子偏振光转换膜等方法的微型光引擎往往存在光效率不够高问题，而在照明系统中应用复眼偏振转换系统方法的微型光引擎，系统结构复杂的同时增大了加工制作难度。尤其是复眼和偏振转换系统，它们的单元尺寸会随着微显示芯片尺寸的减小而减少至1_以下，这就大幅度增加了光学元件的加工及制作难度和成本，极不利于微型光学引擎的小型化设计、批量及规模化生产。
[0005]针对现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的是提出一种高亮度、高均匀度、高对比度，高清晰度，照明光路结构简单，制造成本较低，可适合规模化生产的基于偏振光复用的微型光学引擎系统。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于偏振光复用的微型光学引擎系统的技术方案。
[0007]所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于:沿光线传播方向依次设置照明光源、锥形光棒、准直透镜组、偏振光转换器、中继透镜组、PBS棱镜、微显示芯片、以及投影物镜，照明光源发出的光束经过锥形光棒的匀光和预准直后被准直透镜组再准直，勻光准直后的光束经偏振光转换器后从非偏振光转换成一种偏振态的偏振光，经后续的中继透镜组和PBS棱镜被收集传递至微显示芯片表面并形成均匀的准直照明，微显示芯片上的图像再经过投影物镜放大成像在屏幕上。
[0008]所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的锥形光棒为锥形，其截面为矩形或五边形，且锥形光棒出射端端面面积大于等于入射端端面面积，锥形光棒为实心或空心，实心锥形光棒材料为玻璃或塑料，空心锥形光棒内表面镀膜来实现光棒内的全反射，膜层采用电子束蒸发的方法进行镀制并利用光控与石英晶体震荡相结合的方法进行膜层厚度控制或采用电镀方法镀制；所述的照明光源与锥形光棒的入射端端面紧贴或分开，或照明光源埋入锥形光棒入射端端面内一定深度。
[0009]所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的锥形光棒出射端端面与准直透镜组的第一片透镜分开一定的距离，准直透镜组的第一片透镜靠近锥形光棒的光学面是平面；或者锥形光棒的出射端端面与准直透镜组的第一片透镜胶合在一起，准直透镜组的第一片透镜的胶合光学面为平面；或者锥形光棒与准直透镜组的第一片透镜都采用光学塑料材质，二者合为一个零件注塑制成。
[0010]所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的照明光源发出的光束直接进入锥形光棒，能够在4_内在锥形光棒的出射端端面形成均勻的发光面，该发光面依次经准直透镜组和中继透镜组放大成像在微显示芯片上，放大倍率为中继透镜组与准直透镜组的焦距之比平方。
[0011 ] 所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于偏振光转换器由一个次PBS棱镜、一片反射镜和一片半波片构成；所述的中继透镜组的光轴与偏振光转换器的中
心轴重合。
[0012]所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的半波片设置在次PBS棱镜右侧，非偏振的准直光束入射到偏振光转换器的次PBS棱镜上，被分成两束偏振光，即P偏振态光和S偏振态光,其中S偏振态光被反射镜反射后出射,仍然是S偏振态光，P偏振态光直接穿过半波片被转换成S偏振态光，即非偏振的入射光束经过偏振光转换器后的偏振态被转换成同一 S偏振态。
[0013]所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的半波片设置在反射镜右侧，非偏振的准直光束入射到偏振光转换器的次PBS棱镜上,被分成两束偏振光，即P偏振态光和S偏振态光，其中S偏振态光被反射镜反射后穿过半波片出射，转换为P偏振态光，P偏振态光未经转换直接出射，即非偏振的入射光束经过偏振光转换器后的偏振态被转换成同一 P偏振态。
[0014]所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的反射镜能够替换为直角棱镜、PBS棱镜或线偏振光栅，所述的次PBS棱镜能够替换为线偏振光栅；所述的反射镜替换为棱镜时，棱镜的斜面镀制反射膜以增强反射能力，膜层采用电子束蒸发的方法进行镀制或用电镀方法镀制，采用电子束蒸发的方法进行镀制时利用光控与石英晶体震荡相结合的方法进行膜层厚度控制。
[0015]所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的中继透镜组的最后一片透镜与PBS棱镜之间保持一定的5mm的间距；或者中继透镜组的最后一片透镜和PBS棱镜胶合在一起，且中继透镜组的最后一片透镜近PBS棱镜的光学面为平面；或者中继透镜组的最后一片透镜和PBS棱镜采用同样的材料制成一个部件；在中继透镜组和PBS棱镜之间能够设置偏振片、或1/4波片和反射偏振片组成的偏振元件、或滤光片，以调整微型投影光学引擎的对比度和颜色显示范围。
[0016]所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的微显示芯片为彩色型或非彩色型；微显示芯片为彩色型，即微显示芯片上的显示单元中包含了红、绿、蓝多种像素，当彩色型微显示芯片被白光光束照明时，通过电路控制微显示芯片各个显示单元的颜色，微显示芯片上的彩色图像经过投影物镜可以在屏幕上投出彩色图像；微显示芯片为非彩色型，通过协同彩色光束时序切换以及微显示芯片的时序图像显示，不同时刻微显示芯片上的不同颜色图像经过投影物镜后，在屏幕上可以投影成不同颜色图像。
[0017]本发明照明光源发出的光束在进入PBS棱镜前便已经转换为同一偏振态的偏振光，从而将另一偏振态的偏振光也再次利用起来，避免了传统液晶类型的微型光引擎照明系统中的光束进入PBS棱镜后有近一半的另一偏振态的光被浪费掉的情况。同时，在基本不增加照明系统厚度和成本的情况下大大地提高了照明光的效率，可获得更高亮度的均匀照明光斑，可以有效解决传统偏振光复用方法应用于微型投影光引擎中存在的加工难度大、系统成本高和光学效率不高等问题。相较于传统的应用复眼偏振转换系统方法的光引擎，不论是在系统成本，还是加工工艺方面均存在有明显优势。该基于偏振光复用的微型光学引擎系统，具有体积小、高亮度、高均匀度、高对比度、高清晰度的特点，同时照明光路简单，制作成本低，尺寸小，组装方便，方便于规模化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为基于偏振光复用的照明系统光学原理图；
图2为照明光源与锥形光棒相贴的结构示意图；
图3为照明光源与锥形光棒相分离的结构示意图；
图4为照明光源埋入锥形光棒的结构示意图；
图5锥形光棒与准直透镜组之间分开一定距离的结构示意图；
图6为锥形光棒的出射端面与准直透镜组的第一片透镜胶合在一起的结构示意图；
图7为偏振光转换器结构意图一；
图8为偏振光转换器结构意图二 ；
图9为偏振光转换器结构示意图三；
图10为偏振光转换器结构示意图四；
图11为采用单颗白光光源来照明的一种基于S偏振态偏振光复用的反射式LCoS/LCD微型光学引擎系统；
图12为采用单颗白光光源来照明的一种基于P偏振态偏振光复用的反射式LCoS/LCD微型光学引擎系统；
图13为采用单颗白光光源来照明的一种基于S偏振态偏振光复用的透射式LCD微型光学引擎系统；
图14为采用红、绿、蓝三颗单色光源来照明的一种基于P偏振态偏振光复用的反射式LCoS/LCD微型光学引擎系统；
图15为采用红、绿、蓝三颗单色光源来照明的一种基于P偏振态偏振光复用的反射式LCoS/LCD微型光学引擎系统；
图中:1-照明光源，2-锥形光棒，3-准直透镜组，4-偏振光转换器，5-中继透镜组，6-PBS棱镜，7-微显示芯片，8-投影物镜，9-X-Cube合色棱镜，411-次PBS棱镜，412-线偏振光栅，421-反射镜，422-直角棱镜，43-半波片，91-第一合色片，92-第二合色片。【具体实施方式】
[0019]下面结合说明书附图对本发明作进一步说明:
与传统的投影光引擎相比，微型投影光引擎在考虑光效率问题的同时，还需要保持紧凑的尺寸以及较低的成本。针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种高亮度、高对比度、高清晰度、照明光路结构简单、制造成本较低、可适合规模化生产的基于偏振光复用的微型光学引擎系统。
[0020]照明光源I发出的光束经过锥形光棒2的匀光和预准直后，被准直透镜组3进一步准直，勻光准直后的出射光束经偏振光转换器4后从非偏振光转换成一个偏振态的偏振光，经后续的中继透镜组5和PBS棱镜6被收集并传递至微显示芯片7的表面，形成均匀的准直照明；微显示芯片7上的图像再经过投影物镜8投影成像在屏幕上。
[0021]照明光源I可以是LED、UHP灯、卤素灯、激光光源或其它光源。照明光源的数目可以为I个或多个光源。当为多个光源时，各个光源各自匀光准直后经过合色器件合光，再经过偏振光转换器4及后续的光学系统。
[0022]锥形光棒2可以是实心，也可以是空心的，实心锥形光棒材料为玻璃或塑料；空心锥形光棒内表面可以镀膜来实现光棒内的全反射，膜层可采用电子束蒸发的方法进行镀制并利用光控与石英晶体震荡相结合的方法进行膜层厚度控制，也可以用电镀方法镀制。照明光源发出的光束直接耦合进入锥形光棒内，耦合效率可以达到90%以上。光束经过较短长度的锥形光棒内多次反射匀光后即可以在出射端面形成均匀的照明光斑，消除了光源自身可能带有的缺陷，同时也完成了对入射光的预准直。
[0023]照明光源I可以紧靠锥形光棒2入射端面，也可以隔开一定的距离或者埋入锥形光棒内一定距离。
[0024]锥形光棒2的出射端端面与准直透镜组的第一片透镜之间可以有一定的间距，如3_，也可以胶合在一起，甚至合成一个零件用注塑的办法生产，减少胶合带来的麻烦。当锥形光棒2与准直透镜组3的第一片透镜胶合在一起时，准直透镜组的第一片透镜靠近锥形光棒的光学面可以是平面也可以是其它形式的光学面；当锥形光棒与准直透镜组的第一片透镜胶合在一起时，准直透镜组的第一片透镜靠近锥形光棒的光学面为平面。
[0025]锥形光棒2出射端形成的均匀发光面，经准直透镜组3和中继透镜组5组成的放大系统放大成像于微显示芯片7上，放大倍率为中继透镜组5与准直透镜组3的焦距之比，在实现锥形光棒出射端面形状与微显示芯片照明区域形状匹配的同时，也实现了照明区域对照明光束进行准直的需要。在这个放大系统中，偏振光转换器和PBS棱镜不影响放大系统的放大倍率，分别仅起到偏振转换和偏振分束的作用，但它们引入的像差需要准直透镜组和中继透镜组组成的放大系统进行校正。
[0026]偏振光转换器4可以由一个次PBS棱镜411、一片反射镜421和一片半波片43构成，半波片靠近次PBS棱镜放置时，非偏振的准直光束入射到偏振光转换器的次PBS棱镜上，被分成二束偏振光，即P偏振态光和S偏振态光，其中S偏振态光被反射镜反射后出射，仍然是S偏振态光；P偏振态光经半波片被转换成S偏振态光。即入射光束经过偏振光转换器后的偏振态被转换成S偏振态，可以全部被后续光学系统所利用，从而达到偏振光复用的目的；半波片靠近反射镜放置时，非偏振的准直光束入射到偏振光转换器的次PBS棱镜上，分成二束偏振光，即P偏振态光和S偏振态光,其中S偏振态光被反射镜反射后经过半波片出射，转换为P偏振态光；p偏振态光经未经转换直接出射。即非偏振的准直光束经过偏振光转换器后的偏振态被全部转换成P偏振态。
[0027]偏振光转换器4中，反射镜可用棱镜或PBS棱镜等同替换。使用棱镜时，棱镜的斜面可以镀制反射膜以增强反射能力，膜层可采用电子束蒸发的方法进行镀制，利用光控与石英晶体震荡相结合的方法进行膜层厚度控制，也可以用电镀方法镀制；棱镜的斜面也可以与平面反射镜胶合，以实现反射率增强。
[0028]偏振光转换器4中，次PBS棱镜和反射镜也可以用线偏振光栅等同替换。
[0029]PBS棱镜6可以用线偏振光栅进行等同替换。
[0030]由于经过偏振光转换器的准直光束口径在光引擎的宽度方向上增加一倍，中继透镜组的光轴需要在光引擎的宽度方向上平移，以保持与偏振光转换器的中心轴重合。在光引擎的厚度方向上，准直光束的口径在经过偏振光转换器前后没有明显变化，因而不影响整个微型光引擎的系统厚度。
[0031]中继透镜组5的最后一片透镜与PBS棱镜6之间保持一定的间距(如5mm),也可以与PBS棱镜胶合。当中继透镜组的最后一片透镜与PBS棱镜之间保持一定的间距时，中继透镜组的最后一片透镜靠近PBS棱镜的光学面为平面或其它光学面。中继透镜组的最后一片透镜也可以和PBS棱镜胶合在一起，此时中继透镜组的最后一片透镜靠近PBS棱镜的光学面为平面。当中继透镜组的最后一片透镜和PBS棱镜的棱镜材料一样时，可以合成一个光学零件。
[0032]在中继透镜组5和PBS棱镜6之间加入偏振片、或1/4波片和反射式偏振片组成的偏振元件、或滤光片，或者在PBS棱镜和微显示芯片之间加入1/4波片，或者在微显示芯片和投影物镜之间加入吸收式偏振片，以改善微型投影光学引擎的对比度和颜色显示范围。
[0033]微显示芯片7可以为透射式IXD，也可以是反射式LCoS和反射式IXD。微显示芯片可以是彩色型的，即微显示芯片上的显示单元中包含了红、绿、蓝等多种像素。当彩色型微显示芯片被白光光束照明时，通过电路控制微显示芯片各个显示单元的颜色，微显示芯片上的彩色图像经过投影物镜可以在屏幕上投出彩色图像。
[0034]微显示芯片可以是非彩色型的。通过协同彩色光束时序切换以及微显示芯片的时序图像显示，不同时刻微显示芯片上的不同颜色图像经过投影物镜后，在屏幕上可以投影成不同颜色图像。利用人眼的视觉暂留现象，即可以形成彩色图像的视觉效果。彩色光束可以通过色轮对白光进行分光获得，也可以通过合光模组对彩色光源合光得到。
[0035]与现有应用偏振光复用技术的光学引擎相比，本发明公开的基于偏振光复用的微型光引擎系统没有使用PCS (偏振转换系统)，仅增加了锥形光棒、次PBS棱镜、反射镜和半波片四个元件，不存在加工制作的难度以及成本高问题，并且光引擎的厚度没有增加。整个微型光学引擎系统结构简单，尺寸小巧紧凑，制造成本低，同时具有高光效率、高均匀性和高对比度的优点，无辐射，绿色环保，适合于规模化生产。
[0036]图1所示为基于偏振光复用的照明系统光路原理图。照明光源I发出的非偏振光束依次经过锥形光棒2的匀光和预准直、准直透镜组3的进一步准直后，经偏振光转换器4转换成同一偏振态的偏振光，最后通过中继透镜组5被传递收集在微显示芯片7上。锥形光棒2的作用除了对光源进行预准直外，还在其出射端面上形成均匀的照明分布，减少光源自身不均匀性缺陷带来的影响；准直透镜组3与中继透镜组5组成一个放大系统，将锥形光棒2的出射端面的照明放大传递至微型显示芯片7表面，从而在微显示芯片7上形成均匀的准直照明。放大系统的放大倍率为中继透镜组与准直透镜组的焦距之比，同时微显示芯片上所获得的照明光束N.A.(数值孔径)值从光棒出射端光束的N.A.缩减相应的倍数。
[0037]图2、3、4所示为照明光源I和锥形光棒2的三种位置关系示意图。图2所示，照明光源I与锥形光棒2相贴；图3所示，照明光源I与锥形光棒2的入射端截面分开一定距离。图4所示，照明光源I埋入锥形光棒2内一定距离。
[0038]图5、6所示为所述的锥形光棒2与准直透镜组3的两种位置关系示意图。图5所示，锥形光棒2与准直透镜组3之间分开一定间距，如3mm。图6所示为:锥形光棒2的出射端面与准直透镜组3的第一片透镜胶合在一起，此时准直透镜组3的第一片透镜胶合光学面为平面。当锥形光棒2与准直透镜组3材料同为光学塑料时，图6所示情况可以合为一个光学零件并通过注塑办法进行生产。
[0039]图7、8、9、10所示分别为四种所述的偏振光转换器具体结构示意图，一般位于准直透镜组的后焦面附近位置，但具体可以根据系统实际情况优化，其尺寸由从准直透镜组3的出射光束在偏振光转换器上的照明口径来决定。
[0040]其中，图7所不的偏振光转器4,包括一个次PBS棱镜411、一片反射镜421和一片半波片43。非偏振的准直光束入射至次PBS棱镜411，其P偏振态的光束透过次PBS棱镜411后经过半波片43转换为S偏振态的出射光；而其S偏振态的光束经过次PBS棱镜411反射后再经过反射镜421反射而出射，仍保持S偏振态不变；整束照明光束经转换后都转换成了 S偏振态的准直光。
[0041]图8所示为使用直角棱镜422代替图7中的反射镜421，便于固定安装。但使用反射镜的好处在于有较低的成本，方便于大批量规模化的生产。直角棱镜的斜面镀反射膜，膜层可采用电子束蒸发的方法进行镀制，利用光控与石英晶体震荡相结合的方法进行膜层厚度控制，或采用电镀方法镀制；棱镜的斜面也可以与平面反射镜胶合，以实现反射率增强。
[0042]图9所示为利用线偏振光栅412来代替图7中的次PBS棱镜411，达到同样的偏振光复用效果。
[0043]图10所示为将图7中的半波片43靠近反射镜421放置。非偏振的准直光束入射到偏振光转换器4的次PBS棱镜411上，被分成P偏振态光和S偏振态二束光，其中S偏振态光被反射镜421反射后经过半波片43出射，转换为P偏振态光；P偏振态光经未经转换直接出射。即入射光束经过偏振光转换器4后的偏振态被转换成P偏振态。
[0044]另外，对于图7、8、9、10所示的四种结构形式的偏振光转换器，反射镜421都可用线偏振光栅412或者次PBS棱镜411等同替换；半波片可以根据实际系统设计选择靠近次PBS棱镜411放置或者靠近反射镜421放置。
[0045]图11所示为利用单颗白光光源来照明的一种基于S偏振态偏振光复用的反射式LCoS/ LCD微型光学引擎系统，沿光线传播方向依次设有:照明光源1、锥形光棒2、准直透镜组3、偏振光转换器4、中继透镜组5、PBS棱镜6、微显示芯片7以及投影物镜8。照明光源I可以采用LED、UHP灯、卤素灯、激光光源及其它光源。对锥形光棒2选取合适的锥角及长度，使得照明光源I发出的光在锥形光棒2内较短的距离(如4_)经多次反射，在锥形光棒2的出射端获得均匀照明光斑，使得准直透镜组3后焦面上的光束的口径以及角度调整到我们所需的范围；在准直透镜组3的后焦面附近设置偏振光转换器4，使得从照明光源I发出的光全部转换为S偏振态的偏振光，达到偏振光复用的目的。照明光源I发出的光束在锥形光棒2的出射端面上形成均匀的照明分布，通过准直透镜组3和中继透镜组5组成的放大系统以一定比例放大成像于LCoS微显示芯片7上，形成与LCoS微显示芯片7相匹配的均匀照明光斑。该光斑将微显示芯片的图像照亮，然后通过PBS棱镜6、投影物镜8将该图像投影到屏幕上。
[0046]图12所示为利用单颗白光光源来照明的一种基于P偏振态偏振光复用的反射式LCoS/IXD微型光学引擎系统，系统工作原理与图11类似，区别仅于图12的LCoS微显示芯片7米用P偏振态照明，偏振光转换器4输出P偏振光。
[0047]图13所示为利用单颗白光光源来照明的一种基于S偏振态偏振光复用的透射式LCD微型光学引擎系统，沿光线传播方向依次设有:照明光源1、锥形光棒2、准直透镜组3、偏振光转换器4、中继透镜组5、透射式IXD微显示芯片7以及投影物镜8。系统工作原理与图11类似，区别仅于图13中的微显示芯片7采用透射式的IXD，从中继透镜组5出射的光束不需要经过PBS棱镜6，而是直接入射到IXD 7表面。
[0048]图14所示为采用红、绿、蓝三个单色光源来照明的基于P偏振态偏振光复用的反射式LCoS/LCD微型光学引擎系统，沿光线传播方向依次设有:照明光源1、锥形光棒2、准直透镜组3、X-Cube合色棱镜9、偏振光转换器4、中继透镜组5、PBS棱镜6、反射式LCoS/LCD微显示芯片7以及投影物镜8。红、绿、蓝三颗单色照明光源I发出的光线经过各自对应的锥形光棒及准透镜组匀光准直，通过X-Cube合色棱镜9合色，再经过偏振光转换器4、中继透镜组5和PBS棱镜6到达反射式LCoS/IXD微显示芯片7。与图12系统工作原理类似，差异仅于图14系统使用了多颗单色光源，需要合色器件X-Cube合色棱镜9进行合色。
[0049]图15所示系统工作原理与图15类似，三色光源使用第一合色片91和第二合色片92替换图15中的X-Cube合色棱镜9。
[0050]以上实施例，仅为说明本专利的技术特征和可实施性，其目的在于使该领域的技术人员能了解本专利的内容并予以实施，尽管已经参考具体实施例对本专利作了描述，但是，不应将这些描述理解为一种限制情形，对于本领域的专业人员来说参考以上对本专利的描述显然能够作出对公开实施例中的各种改进以及本专利的另外实施例，凡依本专利的构思所作出的变换，均属于本专利的保护范围。
【权利要求】
1.基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于:沿光线传播方向依次设置照明光源(I)、锥形光棒(2)、准直透镜组(3)、偏振光转换器(4)、中继透镜组(5)、PBS棱镜(6)、微显示芯片(7)、以及投影物镜(8)，照明光源(I)发出的光束经过锥形光棒(2)的匀光和预准直后被准直透镜组(3)再准直,匀光准直后的光束经偏振光转换器(4)后从非偏振光转换成一种偏振态的偏振光，经后续的中继透镜组(5)和PBS棱镜(6)被收集传递至微显示芯片(7)表面并形成均匀的准直照明，微显示芯片(7)上的图像再经过投影物镜(8)放大成像在屏幕上。
2.根据权利要求1所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的锥形光棒(2)为锥形，其截面为矩形或五边形，且锥形光棒(2)出射端端面面积大于等于入射端端面面积，锥形光棒(2)为实心或空心，实心锥形光棒材料为玻璃或塑料，空心锥形光棒内表面镀膜来实现光棒内的全反射，膜层采用电子束蒸发的方法进行镀制并利用光控与石英晶体震荡相结合的方法进行膜层厚度控制或采用电镀方法镀制；所述的照明光源(I)与锥形光棒(2 )的入射端端面紧贴或分开，或照明光源(I)埋入锥形光棒(2 )入射端端面内一定深度。
3.根据权利要求1所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的锥形光棒(2)出射端端面与准直透镜组(3)的第一片透镜分开一定的距离，准直透镜组(3)的第一片透镜靠近 锥形光棒(2)的光学面是平面；或者锥形光棒(2)的出射端端面与准直透镜组(3)的第一片透镜胶合在一起，准直透镜组(3)的第一片透镜的胶合光学面为平面；或者锥形光棒(2)与准直透镜组(3)的第一片透镜都采用光学塑料材质，二者合为一个零件注塑制成。
4.根据权利要求1所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的照明光源(I)发出的光束直接进入锥形光棒(2 )，能够在4mm内在锥形光棒(2 )的出射端端面形成均匀的发光面，该发光面依次经准直透镜组(3)和中继透镜组(5)放大成像在微显示芯片(7)上，放大倍率为中继透镜组(5)与准直透镜组(3)的焦距之比平方。
5.根据权利要求1所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于偏振光转换器(4)由一个次PBS棱镜(411)、一片反射镜(421)和一片半波片(43)构成；所述的中继透镜组(5)的光轴与偏振光转换器(4)的中心轴重合。
6.根据权利要求5所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的半波片(43)设置在次PBS棱镜(411)右侧，非偏振的准直光束入射到偏振光转换器(4)的次PBS棱镜(411)上,被分成两束偏振光，即P偏振态光和S偏振态光,其中S偏振态光被反射镜反射后出射，仍然是S偏振态光，P偏振态光直接穿过半波片被转换成S偏振态光，即非偏振的入射光束经过偏振光转换器(4)后的偏振态被转换成同一 S偏振态。
7.根据权利要求5所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的半波片(43)设置在反射镜(421)右侧，非偏振的准直光束入射到偏振光转换器(4)的次PBS棱镜上，被分成两束偏振光，即P偏振态光和S偏振态光,其中S偏振态光被反射镜反射后穿过半波片出射，转换为P偏振态光，P偏振态光未经转换直接出射，即非偏振的入射光束经过偏振光转换器(4)后的偏振态被转换成同一 P偏振态。
8.根据权利要求5或6或7所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的反射镜(421)能够替换为直角棱镜、PBS棱镜或线偏振光栅，所述的次PBS棱镜(411)能够替换为线偏振光栅；所述的反射镜(421)替换为棱镜时，棱镜的斜面镀制反射膜以增强反射能力，膜层采用电子束蒸发的方法进行镀制或用电镀方法镀制，采用电子束蒸发的方法进行镀制时利用光控与石英晶体震荡相结合的方法进行膜层厚度控制。
9.根据权利要求1所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的中继透镜组(5)的最后一片透镜与PBS棱镜(6)之间保持一定的5mm的间距；或者中继透镜组(5)的最后一片透镜和PBS棱镜(6)胶合在一起，且中继透镜组(5)的最后一片透镜近PBS棱镜(6)的光学面为平面；或者中继透镜组(5)的最后一片透镜和PBS棱镜(6)采用同样的材料制成一个部件；在中继透镜组(5)和PBS棱镜(6)之间能够设置偏振片、或1/4波片和反射偏振片组成的偏振元件、或滤光片，以调整微型投影光学引擎的对比度和颜色显示范围。
10.根据权利要求1所述的基于偏振光复用的微型光学引擎系统，其特征在于所述的微显示芯片(7)为彩色型或非彩色型；微显示芯片(7)为彩色型，即微显示芯片(7)上的显示单元中包含了红、绿、蓝多种像素，当彩色型微显示芯片(7)被白光光束照明时，通过电路控制微显示芯片(7)各个显示单元的颜色，微显示芯片(7)上的彩色图像经过投影物镜(8)可以在屏幕上投出彩色图像；微显示芯片(7)为非彩色型，通过协同彩色光束时序切换以及微显示芯片(7)的时序图像显示，不同时刻微显示芯片(7)上的不同颜色图像经过投影物镜(8 )后，在屏幕上可以投影成不`同颜色图像。
【文档编号】G02B27/28GK103852897SQ201410104633
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】张文字, 张丽, 周建军 申请人:浙江晶景光电有限公司