專利名稱：基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于投影顯示領域，具體為一種基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學 投影系統(tǒng)。
背景技術：
投影技術發(fā)源于19世紀早期，是在19世經(jīng)末20世紀初電影的發(fā)明和流行的基 礎上推廣開來的。目前，基于微顯示芯片的投影顯示技術的出現(xiàn)，使得小型化和高分辨 率投影顯示成為可能?；谖@示芯片的投影顯示技術是將對角線尺寸為0.45-1.3英寸 的微顯示芯片所產(chǎn)生的圖像放大后投影在屏幕上，它結合了光學和成熟的半導體技術， 是一種性價比高的實現(xiàn)大尺寸高分辨顯示的途徑。微顯示芯片是高清投影顯示的核心部 件，可用于大屏幕高清背投電視、高清液晶和數(shù)碼投影儀。目前的光學投影系統(tǒng)，包括了有光源，反光碗，勻光棒，中繼透鏡組，合光系 統(tǒng)，投影物鏡甚至復眼等元件。由于在照明系統(tǒng)中由于采用了反光碗、復眼(或者光棒) 等多種光學元件進行了光束整形，系統(tǒng)結構復雜。以上因素使得系統(tǒng)安裝不便，尺寸較 大，制造成本較高，不利于投影光學引擎的小型化設計、批量以及規(guī)模化生產(chǎn)。

實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種高亮度、高對比 度、高清晰度、照明光路結構簡單、制造成本較低、可適合規(guī)?；a(chǎn)的基于全內(nèi)反射 透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)。所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，包括照明光源、全內(nèi)反射 透鏡、PBS偏振棱鏡、微顯示芯片和投影成像物鏡，其特征在于所述的全內(nèi)反射透鏡、 PBS偏振棱鏡、微顯示芯片和投影成像物鏡依次設置在沿照明光源光線傳播的方向，照 明光源發(fā)出的光束直接進入全內(nèi)反射透鏡，小角度中心光束直接由全內(nèi)反射透鏡的中心 部分折射出射，大角度的邊緣光束在全內(nèi)反射透鏡內(nèi)經(jīng)過折反射混光后在其出射端面形 成均勻分布的照明，兩路出射光線經(jīng)過PBS偏振棱鏡后直接照明在微顯示芯片上，并在 微顯示芯片上形成均勻的小角度的高效的圓形照明分布，微顯示芯片上的圖像經(jīng)過PBS 偏振棱鏡解調(diào)以后再經(jīng)過投影物鏡后投影成像在屏幕上。所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所述的照明光 源為LED、UHP燈、鹵素燈或者激光光源。所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所述的全內(nèi)反 射透鏡的剖面為扇形結構，其中心透射面一、中心透射面二分別為球面、非球面或其他 自由曲面構成的光學表面，其外圍輪廓面一、外圍輪廓面二、外圍輪廓面三分別是經(jīng)過 優(yōu)化計算得到的自由曲面，其中外圍輪廓面一用于將中心透射面一以外的光束全部導入 全內(nèi)反射透鏡內(nèi)，外圍輪廓面二為全內(nèi)反射面，用于將導入的光線全內(nèi)反射并通過外圍 輪廓面三導出，外圍輪廓面三出射的光線發(fā)散角度和中心透射區(qū)出射的光線角度一致，
4外圍輪廓面三出射的光線和中心透射區(qū)的光束形成的光斑互相交疊形成微顯示芯片上的 均勻照明光場。所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所述的中心透 射面一、中心透射面二調(diào)整一定角度內(nèi)的光線，外圍輪廓面一、外圍輪廓面二、外圍輪 廓面三調(diào)整較大角度的光線，將照明光源發(fā)出的正負90度范圍以內(nèi)的光線調(diào)整為全內(nèi)反 射透鏡出射端正負15度范圍之內(nèi)的出射光線，使得微顯示芯片上的入射光束與投影成像 物鏡相匹配。所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所述的全內(nèi)反 射透鏡的材料為玻璃或者塑料，除了與空氣接觸面直接產(chǎn)生全反射之外，其外圍輪廓面 二可以通過電鍍或鍍膜來實現(xiàn)全內(nèi)反射透鏡內(nèi)的全反射，電鍍或鍍膜的所有膜層可采用 電子束蒸發(fā)的方法進行鍍制。所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所述的微顯示 芯片為透射式或者反射式，微顯示芯片采用LCoS、LCD、TFT或DLP，當采用不需偏振 光的DLP微顯示芯片時，可以將PBS偏振棱鏡去掉更換成TIR棱鏡。所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所述的微顯示 芯片為彩色型，即微顯示芯片上的顯示單元中包含了紅、綠、藍多種像素，當彩色型微 顯示芯片被白光光束照明時，通過電路控制微顯示芯片各個顯示單元的顏色，微顯示芯 片上的彩色圖像經(jīng)過投影成像物鏡在屏幕上投影出彩色圖像。所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所述的微顯示 芯片為非彩色型，白光經(jīng)色輪后照射在微顯示芯片上，通過色輪以及微顯示芯片的時序 切換，不同時刻微顯示芯片顯示的不同顏色圖像經(jīng)過投影成像物鏡在屏幕上投影形成不 同的顏色圖像，由于人眼視覺暫留現(xiàn)象的存在，最終形成彩色圖像的視覺效果。所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所述的白光經(jīng) 分光系統(tǒng)分為紅、綠、藍三色光分別照射三片非彩色型微顯示芯片，再經(jīng)合色系統(tǒng)合成 彩色圖像投影到屏幕上。所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所述的全內(nèi)反 射透鏡和PBS偏振棱鏡之間插入偏振元件或者濾光片來改善液晶類微型投影儀的對比度 和顏色顯示范圍，所述的偏振元件或者濾光片由偏振片或1/4波片和反射偏振片組合而 成。上述基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，照明光源發(fā)出的180度的光 束直接利用全內(nèi)反射透鏡整形和混光，光束經(jīng)過較短長度的全內(nèi)反射透鏡后即可以在出 射端面形成均勻的照明光斑，完全消除了光源自身可能帶有的缺陷，在微顯示芯片上獲 得了均勻照明(均勻度可以在90%以上)；同時，優(yōu)化設計的全內(nèi)反射透鏡也能實現(xiàn)減 小光線入射角的目的，微顯示芯片上的圖像再通過投影成像系統(tǒng)即可以投影顯示到屏幕 上。光源發(fā)出的光束只利用全內(nèi)反射透鏡整形和混光，沒有其他光學元件，減少了 系統(tǒng)的復雜度和體積，避免了光學元件表面的反射損失，結構簡單，耦合效率高，系統(tǒng) 緊湊合理。與現(xiàn)在技術相比，其具有體積小，高亮度，高對比度，高清晰度的特點，同 時照明光路結單，制作成本低，尺寸小，組裝方便，方便于規(guī)?；a(chǎn)。


[0017]圖1是本實用新型全內(nèi)反射透鏡的結構示意圖[0018]圖2是本實用新型全內(nèi)反射透鏡的結構示意圖[0019]圖3是本實用新型的結構示意圖一；[0020]圖4是本實用新型的結構示意圖二；[0021]圖5是本實用新型的結構示意圖三；[0022]圖6是本實用新型的結構示意圖四；[0023]圖7是本實用新型的結構示意圖五；[0024]圖8是本實用新型的結構示意圖六；[0025]圖9是本實用新型的結構示意圖七；[0026]圖10是本實用新型的結構示意圖八。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本實用新型做進一步說明基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，包括照明光源1、全內(nèi)反射透鏡 2、PBS偏振棱鏡3、微顯示芯片4和投影成像物鏡5，照明光源1為LED、UHP燈、鹵 素燈、激光光源或者其它光源，所述的全內(nèi)反射透鏡2、PBS偏振棱鏡3、微顯示芯片4 和投影成像物鏡5依次設置在沿照明光源1光線傳播的方向，照明光源1發(fā)出的光束直 接進入全內(nèi)反射透鏡2，小角度中心光束直接由全內(nèi)反射透鏡2的中心部分折射出射，大 角度的邊緣光束在全內(nèi)反射透鏡2內(nèi)經(jīng)過折反射混光后在其出射端面形成均勻分布的照 明，兩路出射光線經(jīng)過PBS偏振棱鏡3后直接照明在微顯示芯片4上，并在微顯示芯片4 上形成均勻的小角度的高效的圓形照明分布，微顯示芯片4上的圖像經(jīng)過PBS偏振棱鏡3 解調(diào)以后再經(jīng)過投影物鏡5后投影成像在屏幕上。如圖1-2所示，所述的全內(nèi)反射透鏡2的剖面為扇形結構，其中心透射面一21、 中心透射面二 25分別為球面、非球面或其他自由曲面構成的光學表面，利用非成像光學 理論設計，實現(xiàn)光斑在微顯示芯片4的照度均勻化和光線角度縮小的作用，以符合微顯 示芯片4對照明入射光的要求，其外圍輪廓面一 22、外圍輪廓面二 23、外圍輪廓面三24 分別是經(jīng)過優(yōu)化計算得到的自由曲面，其中外圍輪廓面一 22用于將中心透射面一 21以外 的光束全部導入全內(nèi)反射透鏡2內(nèi)，外圍輪廓面二 23為全內(nèi)反射面，用于將導入的光線 全內(nèi)反射并通過外圍輪廓面三24導出，外圍輪廓面三24出射的光線發(fā)散角度和中心透射 區(qū)出射的光線角度一致，外圍輪廓面三24出射的光線和中心透射區(qū)的光束形成的光斑互 相交疊形成微顯示芯片4上的均勻照明光場。所述的中心透射面一 21、中心透射面二 25 調(diào)整一定角度內(nèi)的光線，外圍輪廓面一 22、外圍輪廓面二 23、外圍輪廓面三24調(diào)整較大 角度的光線，將照明光源1發(fā)出的正負90度范圍以內(nèi)的光線調(diào)整為全內(nèi)反射透鏡2出射 端正負15度范圍之內(nèi)的出射光線，使得微顯示芯片4上的入射光束符合投影成像物鏡5 的要求，實現(xiàn)了微顯示芯片4 與入射光束NA的匹配，兩者配合設計可以在很緊湊 的尺寸內(nèi)獲得微顯示芯片4角度要求的照明光束，減少材料的用量，從而降低了系統(tǒng)的 成本。[0030]所述的全內(nèi)反射透鏡2的材料為玻璃或者塑料，除了利用與空氣接觸面直接產(chǎn) 生全反射之外，其外圍輪廓面二 23可以通過電鍍或鍍膜來實現(xiàn)全內(nèi)反射透鏡2內(nèi)的全反 射，電鍍或鍍膜的所有膜層可采用電子束蒸發(fā)的方法進行鍍制。所述的微顯示芯片4為透射式或者反射式，常見的微顯示芯片4如LCoS、 LCD、TFT或DLP，當采用不需偏振光的DLP微顯示芯片4時，可以將PBS偏振棱鏡3
去掉更換成TIR棱鏡。所述的微顯示芯片4為彩色型，即微顯示芯片4上的顯示單元中包含了紅、綠、 藍等多種像素，當彩色型微顯示芯片4被白光光束照明時，通過電路控制微顯示芯片4各 個顯示單元的顏色，微顯示芯片4上的彩色圖像經(jīng)過投影成像物鏡5在屏幕上投影出彩色 圖像。所述的微顯示芯片4為非彩色型，白光經(jīng)色輪后照射在微顯示芯片4上，通過色 輪以及微顯示芯片4的時序切換，不同時刻微顯示芯片4顯示的不同顏色圖像經(jīng)過投影成 像物鏡5在屏幕上投影形成不同的顏色圖像，由于人眼視覺暫留現(xiàn)象的存在，最終形成 彩色圖像的視覺效果。所述的白光經(jīng)分光系統(tǒng)分為紅、綠、藍三色光分別照射三片非彩色型微顯示芯 片4，再經(jīng)合色系統(tǒng)合成彩色圖像投影到屏幕上。所述的全內(nèi)反射透鏡2和PBS偏振棱鏡3之間插入偏振元件或者濾光片來改善 液晶類微型投影儀的對比度和顏色顯示范圍，所述的偏振元件或者濾光片由偏振片或1/4 波片和反射偏振片組合而成。實施例一圖3示出了基于透射型微顯示芯片的緊湊型光學投影系統(tǒng)，沿光線傳播方向， 包括了照明光源1、全內(nèi)反射透鏡2、透射型微顯示芯片4以及投影成像物鏡5，其中的微 顯示芯片4可以是透射式的LCD、TFT或LcoS，照明光源1可以采用LED、UHP,鹵素 燈或者其他光源。全內(nèi)反射透鏡2優(yōu)化設計，端面尺寸根據(jù)光源大小和LCoS的大小進 行設計，采用玻璃或塑料等光學材料。全內(nèi)反射透鏡2的外輪廓面可以通過電鍍或者鍍 膜的方式增加表面的反射率。圖中照明光源1發(fā)出的光線經(jīng)過全內(nèi)反射透鏡2勻光和整 形后在全內(nèi)反射透鏡2出射端面形成一個均勻的發(fā)光面，并照亮透射式微顯示芯片4，最 后投影成像物鏡5將透射式微顯示芯片4上顯示的圖像投影在顯示屏幕上。圖4示出了基于反射型LCoS微顯示芯片利用S光照明的光學投影系統(tǒng)，沿光線 傳播方向依次設置有照明光源1、全內(nèi)反射透鏡2、PBS偏振棱鏡3、LCoS投影微顯示 芯片4、投影成像物鏡5，照明光源1可以采用LED、UHP,鹵素燈或者其他光源。全 內(nèi)反射透鏡2優(yōu)化設計，端面尺寸根據(jù)光源大小和LCoS的大小進行設計，采用玻璃或塑 料等光學材料。全內(nèi)反射透鏡2的外輪廓面可以通過電鍍或者鍍膜的方式增加表面的反 射率。圖中，照明光源1發(fā)出的光線經(jīng)過全內(nèi)反射透鏡2勻光和整形后在全內(nèi)反射透鏡 2出射端面形成一個均勻的發(fā)光面，光線經(jīng)過全內(nèi)反射透鏡2整形勻光后，進入PBS偏振 棱鏡3，其中S偏振光經(jīng)PBS偏振棱鏡3反射將全內(nèi)反射透鏡2出射的均勻的發(fā)光面成像 在LCoS微顯示芯片4上，LCoS微顯示芯片4上反射S光后變成P光透過PBS偏振棱鏡 3再經(jīng)投影成像物鏡5將LCoS投影微顯示芯片4上的圖像投影在屏幕上。圖5示出了基于反射型LCoS微顯示芯片利用P光照明的光學投影系統(tǒng)，沿光線
7傳播方向依次設置有照明光源1、全內(nèi)反射透鏡2、PBS偏振棱鏡3、LCoS投影微顯示 芯片4，投影成像物鏡5。照明光源1可以采用LED、UHP、鹵素燈或者其他光源。全 內(nèi)反射透鏡2優(yōu)化設計，端面尺寸根據(jù)光源大小和LCoS的大小進行設計，采用玻璃或塑 料等光學材料。全內(nèi)反射透鏡2的外輪廓面可以通過電鍍或者鍍膜的方式增加表面的反 射率。圖中，照明光源1發(fā)出的光線經(jīng)過全內(nèi)反射透鏡2勻光和整形后在全內(nèi)反射透鏡 2出射端面形成一個均勻的發(fā)光面，光線經(jīng)過全內(nèi)反射透鏡2整形勻光后，進入PBS偏振 棱鏡3，其中P偏振光經(jīng)PBS偏振棱鏡3透射后將全內(nèi)反射透鏡2出射的均勻的發(fā)光面 成像在LCoS微投影微顯示芯片4上。LCoS投影微顯示芯片4上反射P光后變成S光經(jīng) PBS偏振棱鏡3反射后再經(jīng)投影成像物鏡5將LCoS投影微顯示芯片4上的圖像投影在屏 眷上ο圖6示出了基于反射型DLP微顯示芯片的用TIR透鏡的光學投影系統(tǒng)，沿光線 傳播方向依次設置有照明光源1，全內(nèi)反射透鏡2，TIR鏡組，DLP投影微顯示芯片4， 投影成像物鏡5。照明光源1可以采用LED、UHP、鹵素燈或者其他光源。全內(nèi)反射透 鏡2優(yōu)化設計，端面尺寸根據(jù)光源大小和LCoS的大小進行設計，采用玻璃或塑料等光學 材料。全內(nèi)反射透鏡2的外輪廓面可以通過電鍍或者鍍膜的方式增加表面的反射率。圖 中，照明光源1發(fā)出的光線經(jīng)過全內(nèi)反射透鏡2勻光和整形后在全內(nèi)反射透鏡2出射端面 形成一個均勻的發(fā)光面。光線經(jīng)過全內(nèi)反射透鏡2整形勻光后，進入TIR鏡組，其中光 線經(jīng)TIR鏡組反射后將全內(nèi)反射透鏡2出射的均勻的發(fā)光面成像在DLP微投影微顯示芯 片4上，照亮后的DLP投影顯微顯示芯片4上的圖像再經(jīng)投影成像物鏡5投影在屏幕上。圖7示出了基于偏振干涉濾光片和二向色鏡的白光三片反射型LCoS微顯示芯片 的光學投影系統(tǒng)，沿光線傳播方向依次設置白光光源，全內(nèi)反射透鏡2，偏振干涉濾光片 6，PBS偏振棱鏡3，二向色鏡7，三片反射型LCoS微顯示芯片4，投影成像物鏡5。白 光光源可以采用LED、UHP、鹵素燈或者其他光源。全內(nèi)反射透鏡2優(yōu)化設計，端面尺 寸根據(jù)光源大小和LCoS的大小進行設計，采用玻璃或塑料等光學材料。全內(nèi)反射透鏡 2的外輪廓面可以通過電鍍或者鍍膜的方式增加表面的反射率。圖7中，白光光源發(fā)出 的光線經(jīng)過全內(nèi)反射透鏡2勻光和整形后在全內(nèi)反射透鏡2出射端面形成一個均勻的發(fā)光 面，均勻的白光束進入偏振干涉濾光片6后被分成綠色的P偏振光和紅藍合成的S偏振 光，其中綠色的P光透過PBS偏振棱鏡3照亮一片反射型LCoS微顯示芯片4，S偏振光 經(jīng)過二向色鏡7后分成紅、藍光分別照明一片反射型LCoS微顯示芯片4，三塊LCoS微 顯示芯片4上的圖像分別被紅、綠、藍三色光照明后反射回PBS偏振棱鏡3，其中綠色 LCoS微顯示芯片4反射回S偏振光，在PBS偏振棱鏡3處反射向投影成像物鏡，紅、藍 LCoS微顯示芯片4反射回P偏振光，直接透過PBS偏振棱鏡3進入投影成像物鏡5，三 色光合成彩色圖像，經(jīng)過投影成像物鏡5后投影顯示在屏幕上。圖8示出了基于白光LED、三片反射型LCOS微顯示芯片、分合色彩色光學投影 系統(tǒng)，沿光線傳播方向依次設置有照明光源1，全內(nèi)反射透鏡2，三塊PBS偏振棱鏡3， 三片反射式LCOS投影微顯示芯片4，投影成像物鏡5，分色系統(tǒng)8及三色光合色系統(tǒng)9。 照明光源1可以采用LED、UHP、鹵素燈或者其他光源。全內(nèi)反射透鏡2優(yōu)化設計，端 面尺寸根據(jù)光源大小和LCoS的大小進行設計，采用玻璃或塑料等光學材料。全內(nèi)反射 透鏡2的外輪廓面可以通過電鍍或者鍍膜的方式增加表面的反射率。圖中，照明光源1發(fā)出的光線經(jīng)過全內(nèi)反射透鏡2勻光和整形后在全內(nèi)反射透鏡2出射端面形成一個均勻的 發(fā)光面。經(jīng)過分色系統(tǒng)8后光被分成紅、綠、藍三色系光分別照明三片黑白微顯示芯片 4，再經(jīng)過合色系統(tǒng)9合成彩色圖像，并經(jīng)過投影成像物鏡5投影在屏幕上。圖9示出了基于三色光源照明、單片反射型LCoS微顯示芯片的光學投影系統(tǒng)， 沿光線傳播方向依次設置紅、綠、藍三色照明光源1，三塊全內(nèi)反射透鏡2，一塊PBS偏 振棱鏡3，一片反射式LCoS微顯示芯片4，三色光合成系統(tǒng)9，投影成像物鏡5。照明光 源1可以采用LED、UHP,鹵素燈或者其他光源。全內(nèi)反射透鏡2優(yōu)化設計，端面尺寸 根據(jù)光源大小和LCoS的大小進行設計，采用玻璃或塑料等光學材料。全內(nèi)反射透鏡2的 外輪廓面可以通過電鍍或者鍍膜的方式增加表面的反射率。圖中，照明光源1發(fā)出的光 線經(jīng)過全內(nèi)反射透鏡2勻光和整形后在全內(nèi)反射透鏡2出射端面形成一個均勻的發(fā)光面， 紅、綠、藍三色均勻經(jīng)過三色合成系統(tǒng)9合成白光后通過PBS偏振棱鏡3后照明LCoS微 顯示芯片4，LCoS微顯示芯片4上的彩色圖像再經(jīng)過投影成像物鏡5投影在屏幕上。圖10示出了基于三色光源照明、三片反射型LCoS微顯示芯片的光學投影系 統(tǒng)，沿光線傳播方向依次設置紅、綠、藍三色照明光源1，三塊全內(nèi)反射透鏡2，三塊 PBS偏振棱鏡3，三片反射式LCoS微顯示芯片4，三色光合成系統(tǒng)9，投影成像物鏡5。 照明光源1可以采用LED、UHP,鹵素燈或者其他光源，全內(nèi)反射透鏡2優(yōu)化設計，端面 尺寸根據(jù)光源大小和LCoS的大小進行設計，采用玻璃或塑料等光學材料。全內(nèi)反射透 鏡2的外輪廓面可以通過電鍍或者鍍膜的方式增加表面的反射率。圖中，照明光源1發(fā) 出的光線經(jīng)過全內(nèi)反射透鏡2勻光和整形后在全內(nèi)反射透鏡2出射端面形成一個均勻的發(fā) 光面，紅、綠、藍三色均勻光分別照明三塊LCoS微顯示芯片4，LCoS微顯示芯片4上 的單色圖像經(jīng)三色合成系統(tǒng)9合成彩色圖像，再經(jīng)過投影成像物鏡5投影在屏幕上。以上實施例，僅為說明本發(fā)明專利的技術特征和可實施性，其目的在于使該領 域的技術人員能了解本發(fā)明的內(nèi)容并予以實施。盡管已經(jīng)參考具體實施例對本發(fā)明作了 描述，但是，不應將這些描述理解為一種限制情形，對于本領域的專業(yè)人員來說參考以 上對本發(fā)明的描述顯然能夠作出對公開實施例中的各種改進以及本發(fā)明的另外實施例， 因此，可以設想只要不偏離所附權利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍是能夠作出這樣 的改進，凡依本發(fā)明的構思所作出的變換，均包括在本發(fā)明的權利要術內(nèi)。本發(fā)明的范 圍由權利要求和整個權利要求范圍內(nèi)的等同物限定。
權利要求1.基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，包括照明光源(1)、全內(nèi)反射透鏡 (2)、PBS偏振棱鏡(3)、微顯示芯片(4)和投影成像物鏡(5)，其特征在于所述的全內(nèi)反 射透鏡(2)、PBS偏振棱鏡(3)、微顯示芯片(4)和投影成像物鏡(5)依次設置在沿照明 光源(1)光線傳播的方向，照明光源(1)發(fā)出的光束直接進入全內(nèi)反射透鏡(2)，小角度 中心光束直接由全內(nèi)反射透鏡(2)的中心部分折射出射，大角度的邊緣光束在全內(nèi)反射 透鏡(2)內(nèi)經(jīng)過折反射混光后在其出射端面形成均勻分布的照明，兩路出射光線經(jīng)過PBS 偏振棱鏡(3)后直接照明在微顯示芯片(4)上，并在微顯示芯片(4)上形成均勻的小角度 的高效的圓形照明分布，微顯示芯片(4)上的圖像經(jīng)過PBS偏振棱鏡(3)解調(diào)以后再經(jīng)過 投影物鏡(5)后投影成像在屏幕上。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所 述的照明光源(1)為LED、UHP燈、鹵素燈或者激光光源。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于 所述的全內(nèi)反射透鏡(2)的剖面為扇形結構，其中心透射面一(21)、中心透射面二(25) 分別為球面、非球面或其他自由曲面構成的光學表面，其外圍輪廓面一(22)、外圍輪廓 面二(23)、外圍輪廓面三(24)分別是經(jīng)過優(yōu)化計算得到的自由曲面，其中外圍輪廓面一(22)用于將中心透射面一(21)以外的光束全部導入全內(nèi)反射透鏡(2)內(nèi)，外圍輪廓面二(23)為全內(nèi)反射面，用于將導入的光線全內(nèi)反射并通過外圍輪廓面三(24)導出，外圍輪 廓面三(24)出射的光線發(fā)散角度和中心透射區(qū)出射的光線角度一致，外圍輪廓面三(24) 出射的光線和中心透射區(qū)的光束形成的光斑互相交疊形成微顯示芯片(4)上的均勻照明 光場。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于 所述的中心透射面一(21)、中心透射面二(25)調(diào)整一定角度內(nèi)的光線，外圍輪廓面一 (22)、外圍輪廓面二(23)、外圍輪廓面三(24)調(diào)整較大角度的光線，將照明光源(1)發(fā) 出的正負90度范圍以內(nèi)的光線調(diào)整為全內(nèi)反射透鏡(2)出射端正負15度范圍之內(nèi)的出射 光線，使得微顯示芯片(4)上的入射光束與投影成像物鏡(5)相匹配。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于 所述的全內(nèi)反射透鏡(2)的材料為玻璃或者塑料，除了與空氣接觸面直接產(chǎn)生全反射之 外，其外圍輪廓面二(23)可以通過電鍍或鍍膜來實現(xiàn)全內(nèi)反射透鏡(2)內(nèi)的全反射。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于 所述的微顯示芯片⑷為透射式或者反射式，微顯示芯片⑷采用LCoS、LCD、TFT或 DLP,當采用不需偏振光的DLP微顯示芯片(4)時，可以將PBS偏振棱鏡(3)去掉更換 成TIR棱鏡。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所 述的微顯示芯片(4)為彩色型，即微顯示芯片(4)上的顯示單元中包含了紅、綠、藍多種 像素，當彩色型微顯示芯片(4)被白光光束照明時，通過電路控制微顯示芯片(4)各個顯 示單元的顏色，微顯示芯片(4)上的彩色圖像經(jīng)過投影成像物鏡(5)在屏幕上投影出彩色 圖像。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所 述的微顯示芯片(4)為非彩色型，白光經(jīng)色輪后照射在微顯示芯片(4)上，通過色輪以及微顯示芯片(4)的時序切換，不同時刻微顯示芯片(4)顯示的不同顏色圖像經(jīng)過投影成像 物鏡(5)在屏幕上投影形成不同的顏色圖像。
9.根據(jù)權利要求8所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于所 述的白光經(jīng)分光系統(tǒng)分為紅、綠、藍三色光分別照射三片非彩色型微顯示芯片(4)，再經(jīng) 合色系統(tǒng)合成彩色圖像投影到屏幕上。
10.根據(jù)權利要求1所述的基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)，其特征在于 所述的全內(nèi)反射透鏡(2)和PBS偏振棱鏡(3)之間插入偏振元件或者濾光片來改善液晶類 微型投影儀的對比度和顏色顯示范圍，所述的偏振元件或者濾光片由偏振片或1/4波片 和反射偏振片組合而成。
專利摘要本實用新型屬于投影顯示領域，具體為一種基于全內(nèi)反射透鏡均勻照明的光學投影系統(tǒng)。其特征在于所述的全內(nèi)反射透鏡、PBS偏振棱鏡、微顯示芯片和投影成像物鏡依次設置在沿照明光源光線傳播的方向，照明光源發(fā)出的光束直接進入全內(nèi)反射透鏡，小角度中心光束直接由全內(nèi)反射透鏡的中心部分折射出射，大角度的邊緣光束在全內(nèi)反射透鏡內(nèi)經(jīng)過折反射混光后在其出射端面形成均勻分布的照明，兩路出射光線經(jīng)過PBS偏振棱鏡后直接照明在微顯示芯片上，并在微顯示芯片上形成均勻的小角度的高效的圓形照明分布，微顯示芯片上的圖像經(jīng)過PBS偏振棱鏡解調(diào)以后再經(jīng)投影物鏡后投影成像在屏幕上，減少了系統(tǒng)的復雜度和體積，避免了光學元件表面的反射損失。
文檔編號G02B27/18GK201796189SQ20102027144
公開日2011年4月13日 申請日期2010年7月26日 優(yōu)先權日2010年7月26日
發(fā)明者余飛鴻, 劉欽曉, 周建軍, 張文字 申請人:杭州晶景光電有限公司