[发明专利]基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统

权利要求书

1.基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统，包括照明光源(1)、全内反射透镜(2)、PBS偏振棱镜(3)、微显示芯片(4)和投影成像物镜(5)，其特征在于所述的全内反射透镜(2)、PBS偏振棱镜(3)、微显示芯片(4)和投影成像物镜(5)依次设置在沿照明光源(1)光线传播的方向，照明光源(1)发出的光束直接进入全内反射透镜(2)，小角度中心光束直接由全内反射透镜(2)的中心部分折射出射，大角度的边缘光束在全内反射透镜(2)内经过折反射混光后在其出射端面形成均匀分布的照明，两路出射光线经过PBS偏振棱镜(3)后直接照明在微显示芯片(4)上，并在微显示芯片(4)上形成均匀的小角度的高效的圆形照明分布，微显示芯片(4)上的图像经过PBS偏振棱镜(3)解调以后再经过投影物镜(5)后投影成像在屏幕上。

2.根据权利要求1所述的基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统，其特征在于所述的照明光源(1)为LED、UHP灯、卤素灯或者激光光源。

3.根据权利要求1所述的基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统，其特征在于所述的全内反射透镜(2)的剖面为扇形结构，其中心透射面一(21)、中心透射面二(25)分别为球面、非球面或其他自由曲面构成的光学表面，其外围轮廓面一(22)、外围轮廓面二(23)、外围轮廓面三(24)分别是经过优化计算得到的自由曲面，其中外围轮廓面一(22)用于将中心透射面一(21)以外的光束全部导入全内反射透镜(2)内，外围轮廓面二(23)为全内反射面，用于将导入的光线全内反射并通过外围轮廓面三(24)导出，外围轮廓面三(24)出射的光线发散角度和中心透射区出射的光线角度一致，外围轮廓面三(24)出射的光线和中心透射区的光束形成的光斑互相交叠形成微显示芯片(4)上的均匀照明光场。

4.根据权利要求1所述的基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统，其特征在于所述的中心透射面一(21)、中心透射面二(25)调整一定角度内的光线，外围轮廓面一(22)、外围轮廓面二(23)、外围轮廓面三(24)调整较大角度的光线，将照明光源(1)发出的正负90度范围以内的光线调整为全内反射透镜(2)出射端正负15度范围之内的出射光线，使得微显示芯片(4)上的入射光束与投影成像物镜(5)相匹配。

5.根据权利要求1所述的基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统，其特征在于所述的全内反射透镜(2)的材料为玻璃或者塑料，除了与空气接触面直接产生全反射之外，其外围轮廓面二(23)可以通过电镀或镀膜来实现全内反射透镜(2)内的全反射，电镀或镀膜的所有膜层可采用电子束蒸发的方法进行镀制。

6.根据权利要求1所述的基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统，其特征在于所述的微显示芯片(4)为透射式或者反射式，微显示芯片(4)采用LCoS、LCD、TFT或DLP，当采用不需偏振光的DLP微显示芯片(4)时，可以将PBS偏振棱镜(3)去掉更换成TIR棱镜。

7.根据权利要求1所述的基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统，其特征在于所述的微显示芯片(4)为彩色型，即微显示芯片(4)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(4)被白光光束照明时，通过电路控制微显示芯片(4)各个显示单元的颜色，微显示芯片(4)上的彩色图像经过投影成像物镜(5)在屏幕上投影出彩色图像。

8.根据权利要求1所述的基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统，其特征在于所述的微显示芯片(4)为非彩色型，白光经色轮后照射在微显示芯片(4)上，通过色轮以及微显示芯片(4)的时序切换，不同时刻微显示芯片(4)显示的不同颜色图像经过投影成像物镜(5)在屏幕上投影形成不同的颜色图像，由于人眼视觉暂留现象的存在，最终形成彩色图像的视觉效果。

9.根据权利要求8所述的基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统，其特征在于所述的白光经分光系统分为红、绿、蓝三色光分别照射三片非彩色型微显示芯片(4)，再经合色系统合成彩色图像投影到屏幕上。

10.根据权利要求1所述的基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统，其特征在于所述的全内反射透镜(2)和PBS偏振棱镜(3)之间插入偏振元件或者滤光片来改善液晶类微型投影仪的对比度和颜色显示范围，所述的偏振元件或者滤光片由偏振片或1/4波片和反射偏振片组合而成。