基于光棒的偏振光复用成像方法及微型光学引擎系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光棒的偏振光复用成像方法及微型光学引擎系统。LED照明光源发出的照明光线通过非成像光学元件光棒，分束透镜以及偏振光转换系统来实现对照明光线的匀光、分束整形以及偏振光转换，并经过后续中继系统的收集传递到达LCoS微显示芯片，形成均匀的照明光斑，该照明光斑将LCoS微显示芯片的图像照亮，形成所需的图像，然后通过PBS偏振棱镜、成像投影物镜或者目镜将该图像进行投射成像；光棒作为二维虚光源阵列的产生源，分束透镜对形成于光棒前端的二维虚光源阵列进行再成像，并在照明光线的分束面加入对应的偏振光转换系统，从而实现偏振光的转换。本发明专利技术能够保证在基本不增加原照明系统尺寸和成本的前提极大地提高光效率。

Imaging method and micro optical engine system using polarization recovery based on light

The invention discloses a method for imaging and micro optical engine system using polarization recovery based on light. A LED light source illumination light through the same non imaging optical element, beam splitting lens and a polarization conversion system to achieve uniform light, the light beam shaping and polarization conversion, and after collecting and transmitting relay system to LCoS micro display chip, the formation of uniform illumination, the illumination spot LCoS micro display the image light chip, forming the desired image, then the image projected by PBS imaging polarization prism and imaging projection lens or eyepiece; light as two-dimensional virtual light source array source, beam splitting lens and imaging of two-dimensional virtual light source array formed on the front end of the bar, and add the corresponding polarization conversion system in the beam splitter plane light, so as to realize the conversion of polarized light. The invention can greatly improve the luminous efficiency without basically increasing the size and cost of the original lighting system.

【技术实现步骤摘要】
基于光棒的偏振光复用成像方法及微型光学引擎系统
本专利技术属于新型显示
，具体为一种基于光棒的偏振光复用成像方法及微型光学引擎系统。
技术介绍
近年来，随着微电子、光学、加工工艺等诸多技术的迅速发展，现代商务移动办公模式普及，手持数码产品增多，微型化成为新型显示技术发展的新方向。新型显示领域中早期的微型投影显示技术，以及时下流行的智能可穿戴显示设备里的VR、AR显示技术，也都在快速地发展着。目前，微型投影及高分辨率智能可穿戴微显示技术主要是以DLP(DigitalLightProcessor)、LCoS(LiquidCrystalonSilicon)，和OLED(OrganicLightEmittingDisplay)技术为主。DLP技术具有反射率高、无需偏振光等优点，但是DMD（DigitalMicro-MirrorDevice）芯片制造工艺复杂，为TI公司独家掌控，这也导致其成本很高。OLED具有较高的对比度和快速的响应时间，但是高分辨率的OLED微显示芯片成本很高，使用寿命相对较短。相比之下，LCoS技术以其低成本、高分辨率、色彩丰富逼真，画面自然无像素感等优势占据了很大一部分的微投影显示市场，但是由于LCoS只能对偏振光进行空间调制导致其光效率较低。想要提高LCoS微显示系统的光效率，关键是如何合理高效地为液晶片提供照明。尽管LCoS微显示系统的工作方式不受到光亮度和能量的限制，但随着液晶片尺寸的变小投影光能输出也近似随之呈线性下降，因此LCoS光学系统应当尽量提高整个系统的光能收集率和利用率。由于液晶会产生双折射等效应，因此在液晶微显示系统中，当照明光入射到LCoS显示芯片上时，只有特定方向的偏振光被利用。微型显示系统中采用的照明光源发出的是自然光，需利用偏振光转换棱镜PBS将自然光高效转化为具有同一偏振态的偏振光。所以不可避免地造成光能在经过PBS后有一半的有效能量被浪费，使得LCoS显示系统的光效率无法达到令人满意的效果，但是若能够使原来通过PBS后的被浪费掉的那一部分另一偏振态的偏振光被重新利用起来，情况就大不一样了，因此合理的偏振光复用方法，将会很好地解决这一问题，大大的提高照明光效率。纵观传统的偏光复用的方法，其中比较普遍的一种是基于复眼的偏振光复用微型光引擎系统，但其主要存在的问题在于复眼的透镜单元及偏振转换器件单元的尺寸都太小，不易于生产加工，这将不仅使得铸模及PCS的抛光变得十分困难，同时也导致半波片的胶接十分不易，而基于双折射晶体的偏振光复用方法，由于要使用到双折射晶体块，但它的制造工艺十分复杂。至于其它的一些应用偏振干涉滤光片及高分子偏振光转换膜等偏光复用方法而言，它的光转换效率不高。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于光棒的偏振光复用成像方法及微型光学引擎系统。一种基于光棒的偏振光复用成像方法，LED照明光源发出的照明光线通过非成像光学元件光棒，分束透镜以及偏振光转换系统来实现对照明光线的匀光、分束整形以及偏振光转换，并经过后续中继系统的收集传递到达LCoS微显示芯片，形成均匀的照明光斑，该照明光斑将LCoS微显示芯片的图像照亮，形成所需的图像，然后通过PBS偏振棱镜、成像投影物镜或者目镜将该图像进行投射成像；其中，所述的LED照明光源为单路或者多路；其中，所述的光棒作为二维虚光源阵列的产生源，分束透镜对形成于光棒前端的二维虚光源阵列进行再成像，以获得相互分离的子光束阵列，并在照明光线的分束面加入对应的偏振光转换系统，从而实现偏振光的转换。一种采用所述方法的基于光棒的偏振光复用微型光学引擎系统，沿光线传播方向依次设置为：无光学整形的LED照明光源、光棒、分束透镜、偏振光转换系统、中继透镜组、PBS偏振棱镜、LCoS微显示芯片以及成像投影物镜或目镜。进一步设有X-Cube合色棱镜，当LED照明光源为多路时，每一路分别经过各自的光棒、分束透镜，通过X-Cube合色棱镜进行合色，然后进入偏振光转换系统。所述的LED照明光源的出光一侧与光棒之间具有一个小于3mm的间距。所述的LED照明光源的出光一侧与光棒相贴或埋入光棒内。所述的光棒选用方棒或锥棒，且光棒的横截面为矩形或者正多边形，材料为玻璃或塑料。所述的分束透镜的左侧与光棒出射面具有一个小于3mm的间距，所述分束透镜与光棒相对的面为平面或弧面。所述的分束透镜的左侧与光棒连为一体，所述分束透镜与光棒相连的面为平面。所述的LCoS微显示芯片为透射式的LCD、CF-LCoS或者CS-LCoS。所述的LED照明光源为平面封装的LED光源，所述的平面封装的LED照明光源是单颗的白光LED芯片，或是由红、绿、蓝三色的发光芯片所组成的单颗LED，或者是红、绿、蓝三颗独立的单色LED同时照明。本专利技术的有益效果：利用非成像光学元件光棒作为二维光源虚像阵列的产生源，并结合光束整形透镜组将该二维虚光源阵列进行二次成像，实现对照明光线的有效分割，得到二维分离的子光束阵列，并在该照明光线分束面处加入相匹配的偏振光转换系统PCS，使得LED发出的光在进入偏振棱镜前便已经全转换为了同一偏振态的偏振光，将以往浪费掉的另一偏振态的偏振光也再次利用起来了，避免了传统光棒照明系统中照明光经偏振棱镜后会有近一半的偏振光被浪费掉的情况，在基本不增加照明系统尺寸和成本的情况下大大提高了照明光效率，可获得更高亮度的照明光斑，并且相较于传统的复眼偏振光复用LCoS照明系统和基于双折射晶体的偏振光复用方法而言，不论是在成本还是加工工艺方面其均存在有明显的优势。附图说明下面结合说明书附图对本专利技术做进一步阐述。图1-1为光棒前端的二维虚光源阵列形成的原理图；图1-2为光棒前端的二维虚光源的具体分布情况；图2为LED照明光源与光棒端面的尺寸关系图；图3为LED照明光源发出的光线经分束透镜整形后产生分束的光学原理图；图4为LED照明光源发出的光线经分束整形后并进行偏振光转换的光路图；图5-1为照明光线在分束面所得的子光束阵列照度分布与偏振光转换系统位置间的对应关系图5-2为偏振光转换系统的空间三维结构示意图；图6为偏振光转换系统的偏振光转换原理图；图7是本专利技术中涉及到的由红、绿、蓝三种发光芯片所组成的单颗LED的结构示意图；图8是本专利技术中涉及的由红、绿、蓝三色发光芯片所组成的单颗LED照明的基于光棒的偏振光复用微型光学引擎系统实施例一的示意图；图9是本专利技术中涉及的利用单颗白光LED照明的基于光棒的偏振光复用微型光学引擎系统实施例二的示意图；图10是本专利技术中涉及的利用红色、绿色、蓝色这三颗单独的LED照明的基于光棒的偏振光复用微型光学引擎系统实施例三的示意图。图中，1-LED照明光源、2-光棒、3-分束透镜、4-偏振光转换系统、5-中继透镜组、6-PBS偏振棱镜、7-LCoS微显示芯片、8-成像投影物镜或目镜、9-X-Cube合色棱镜、41-子PBS棱镜、42-半波片。具体实施方式传统复眼偏振光复用方法是利用复眼对平面波进行波前分割的基本原理来实现照明光线分束并完成偏振光转换的；而基于锥棒和4F光学系统的偏振光复用方法，不存在将照明光线事先进行分割处理的过程，这会在一定程度上增大原照明系统的口径。本专利技术主要提供一种基于光棒的偏振光复用成像方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光棒的偏振光复用成像方法，其特征在于：LED照明光源发出的照明光线通过非成像光学元件光棒，分束透镜以及偏振光转换系统来实现对照明光线的匀光、分束整形以及偏振光转换，并经过后续中继系统的收集传递到达LCoS微显示芯片，形成均匀的照明光斑，该照明光斑将LCoS微显示芯片的图像照亮，形成所需的图像，然后通过PBS偏振棱镜、成像投影物镜或者目镜将该图像进行投射成像；其中，所述的LED照明光源为单路或者多路；其中，所述的光棒作为二维虚光源阵列的产生源，分束透镜对形成于光棒前端的二维虚光源阵列进行再成像，以获得相互分离的子光束阵列，并在照明光线的分束面加入对应的偏振光转换系统，从而实现偏振光的转换。

【技术特征摘要】
1.一种基于光棒的偏振光复用成像方法，其特征在于：LED照明光源发出的照明光线通过非成像光学元件光棒，分束透镜以及偏振光转换系统来实现对照明光线的匀光、分束整形以及偏振光转换，并经过后续中继系统的收集传递到达LCoS微显示芯片，形成均匀的照明光斑，该照明光斑将LCoS微显示芯片的图像照亮，形成所需的图像，然后通过PBS偏振棱镜、成像投影物镜或者目镜将该图像进行投射成像；其中，所述的LED照明光源为单路或者多路；其中，所述的光棒作为二维虚光源阵列的产生源，分束透镜对形成于光棒前端的二维虚光源阵列进行再成像，以获得相互分离的子光束阵列，并在照明光线的分束面加入对应的偏振光转换系统，从而实现偏振光的转换。2.一种采用如权利要求1所述方法的基于光棒的偏振光复用微型光学引擎系统，其特征在于：沿光线传播方向依次设置为：无光学整形的LED照明光源（1）、光棒（2）、分束透镜（3）、偏振光转换系统（4）、中继透镜组（5）、PBS偏振棱镜（6）、LCoS微显示芯片（7）以及成像投影物镜或目镜（8）。3.根据权利要求2所述的基于光棒的偏振光复用微型光学引擎系统，其特征在于，进一步设有X-Cube合色棱镜（9），当LED照明光源（1）为多路时，每一路分别经过各自的光棒（2）、分束透镜（3），通过X-Cube合色棱镜（9）进行合色，然后进入偏振光转换系统（4）。4.根据权利要求2所述的基于光棒的偏振光复用微型光学引擎系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张倩，冯东洋，周建军，
申请(专利权)人：浙江晶景光电有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33