[发明专利]基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统

说明书

技术领域

本发明属于投影显示领域，具体为一种基于全内反射透镜均匀照明的光学投影系统。

背景技术

投影技术发源于19世纪早期，是在19世经末20世纪初电影的发明和流行的基础上推广开来的。目前，基于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0.45-1.3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显示的途径。微显示芯片是高清投影显示的核心部件，可用于大屏幕高清背投电视、高清液晶和数码投影仪。

目前的光学投影系统，包括了有光源，反光碗，匀光棒，中继透镜组，合光系统，投影物镜甚至复眼等元件。由于在照明系统中由于采用了反光碗、复眼(或者光棒)等多种光学元件进行了光束整形，系统结构复杂。以上因素使得系统安装不便，尺寸较大，制造成本较高，不利于投影光学引擎的小型化设计、批量以及规模化生产。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高亮度、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全内反射透镜均匀照明的光学投影系统。

所述的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、全内反射透镜、PBS偏振棱镜、微显示芯片和投影成像物镜，其特征在于所述的全内反射透镜、PBS偏振棱镜、微显示芯片和投影成像物镜依次设置在沿照明光源光线传播的方向，照明光源发出的光束直接进入全内反射透镜，小角度中心光束直接由全内反射透镜的中心部分折射出射，大角度的边缘光束在全内反射透镜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偏振棱镜后直接照明在微显示芯片上，并在微显示芯片上形成均匀的小角度的高效的圆形照明分布，微显示芯片上的图像经过PBS偏振棱镜解调以后再经过投影物镜后投影成像在屏幕上。

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为LED、UHP灯、卤素灯或者激光光源。

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的剖面为扇形结构，其中心透射面一、中心透射面二分别为球面、非球面或其他自由曲面构成的光学表面，其外围轮廓面一、外围轮廓面二、外围轮廓面三分别是经过优化计算得到的自由曲面，其中外围轮廓面一用于将中心透射面一以外的光束全部导入全内反射透镜内，外围轮廓面二为全内反射面，用于将导入的光线全内反射并通过外围轮廓面三导出，外围轮廓面三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上的均匀照明光场。

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、中心透射面二调整一定角度内的光线，外围轮廓面一、外围轮廓面二、外围轮廓面三调整较大角度的光线，将照明光源发出的正负90度范围以内的光线调整为全内反射透镜出射端正负15度范围之内的出射光线，使得微显示芯片上的入射光束与投影成像物镜相匹配。

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，其外围轮廓面二可以通过电镀或镀膜来实现全内反射透镜内的全反射，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。

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为透射式或者反射式，微显示芯片采用LCoS、LCD、TFT或DLP，当采用不需偏振光的DLP微显示芯片时，可以将PBS偏振棱镜去掉更换成TIR棱镜。

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成像物镜在屏幕上投影出彩色图像。

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为非彩色型，白光经色轮后照射在微显示芯片上，通过色轮以及微显示芯片的时序切换，不同时刻微显示芯片显示的不同颜色图像经过投影成像物镜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。