一种投影仪用光学引擎制造技术

一种投影仪用光学引擎，属于投影显示技术领域。RGB三基色激光光源产生的激光分别经三个光束耦合器输出三组阵列光；匀光系统包括三个准直透镜阵列，每个准直透镜阵列由光学长度为1/4节距的渐变折射率透镜单元组成；三组阵列光分别经三个准直透镜阵列输出三组能量分布均匀的平行光，再经合光及调制系统后输入到投影镜头。本实用新型专利技术中匀光系统采用单级渐变折射率透镜单元组成的准直透镜阵列，可同时实现匀光、整形与准直，其出射光斑能量分布均匀，可实现较高的光能利用率；同时具有结构简单的特点，有利于减小光学引擎体积，实现整机微型化。合光系统可采用沃拉斯顿棱镜，基于晶体光学和偏振光学的相关原理对合光结构进行创新，可进一步提高光能利用率。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于投影显示
，涉及投影仪用光学引擎，尤其是基于激光光源的投影仪用光学引擎。
技术介绍
通常，投影仪的光学引擎包括光源、均光系统、合光系统、调制系统以及投影镜头。 其中光源和均光系统是决定光学引擎光能利用率的主要因素，而勻光系统是决定光学引擎体积大小的主要因素。目前，投影仪光学引擎按照空间调制技术的不同主要分为数字光处理(Digital Light Process, DLP)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCoS)、 液晶光阀(Liquid Crystal Light Valve, LCLV)三类。光源一般采用超高压汞灯(Ultra High Performance, UHP)、金属卤化物灯(Metal Halide Lamp, MHP)或发光二极管(Light Emission Diode, LED)，其勻光结构是方棒系统或复眼透镜系统。1.光源对于UHP灯或MHP灯，其白光光源位于抛物反光碗的焦点上，反射光呈近准直光束，再经勻光系统实现勻光照明。UHP发射光谱除可见光外，还有一定成分的紫外和红外光， 需增加滤光片，成本和体积相应增加。特别对于DLP和LCoS结构，需要分光系统将白光分解为三原色，因此需设置色轮或分色镜等组件，这也会增加成本和系统尺寸，同时降低了系统色域。随着光学元件的增加，损耗也在增加，最终限制了系统的出光效率。对于三基色LED光源，其色域较好，且不需要分色系统，集成度提高，但是仍需要经反光碗、聚光透镜对LED朗伯源进行聚光，再经勻光系统进行重叠照明和光斑整形。其出射光斑的勻光性和形状仍难以精确控制，光能利用率仍较低。2.勻光系统方棒系统利用光线在方棒内的多次反射，形成光源虚像，在出射面叠加形成特定形状光斑。由于方棒出射端需额外引入照明透镜组以实现勻光性，因此整体尺寸较大，不利于微型集成。复眼照明系统能够将光源发出的圆形光斑整形为矩形光斑。同时由于小透镜单元在照明面的重叠照明，一定程度上提高了系统的照明均勻性。但是复眼系统前级必须由抛物型反光碗等聚光组件对光源进行聚光，系统整体尺寸较大。因此，要提高投影仪的光能利用率，实现微型化，就必须改进光学引擎的结构。
技术实现思路
为了克服现有投影仪光学结构复杂、光能损失大、光斑整形勻光效果不佳等不足之处，本技术提供一种投影仪用光学引擎。该光学引擎采用三基色的激光光源和由渐变折射率的准直透镜阵列构成的勻光系统，具有更小的体积和更高的光能利用率。本技术技术方案如下一种投影仪用光学引擎，包括光源、光束耦合器、勻光系统、合光系统、调制系统和投影镜头。所述光源为RGB三基色激光光源，所述RGB三基色激光光源产生的三基色激光分别经三个光束耦合器输出三组阵列光束；所述勻光系统包括三个准直透镜阵列，每个准直透镜阵列由相同的、光学长度为四分之一节距的渐变折射率透镜单元组成；三组阵列光束分别经三个准直透镜阵列输出三组能量分布均勻的平行光，其中阵列光束的每个单元光束具有一定的发散角，以保证每个单元光束在对应渐变折射率透镜单元中扩束后的截面面积略大于该渐变折射率透镜单元的截面面积。三组能量分布均勻的平行光经合光系统合光后，再经调制系统调制成光学图像信息并输入到投影镜头；或者，三组能量分布均勻的平行光分别经三个调制系统调制成光学图像信息，然后再经合光系统合光后输入到投影镜头。上述技术方案中，1)所述光学长度为四分之一节距的渐变折射率透镜单元的截面形状为圆形或矩形，多个渐变折射率透镜单元密集堆积成准直透镜阵列；幻所述合光系统可以是沃拉斯顿棱镜(Wollaston Prim)、X棱镜或分色镜。本技术根据光学引擎中光调制器的使用数量，分为单片式光调制器光学引擎 (如图1所示)和三片式光调制器光学引擎(如图9所示)。本技术与现有技术相比，主要区别及有益效果在于本技术勻光系统为由相同的渐变折射率透镜单元组成的准直透镜阵列，每个透镜单元通光面为与入射光斑形状对应(圆形或矩形)，长度为1/4节距，透镜单元之间紧密堆积成矩阵。该勻光系统可同时实现勻光、整形与准直的功能，其出射光斑为矩形且能量分布均勻，与调制系统直接进行光学耦合，可实现较高的光能利用率。通过改变勻光系统中透镜单元的数量，可以控制出射光斑的几何参数，且不改变光能量分布的均勻性；勻光系统为单级透镜系统，结构简单，有利于减小光学引擎体积，实现整机微型化。合光系统采用沃拉斯顿棱镜，基于晶体光学和偏振光学的相关原理对合光结构进行创新，可进一步提高光能利用率。附图说明图1是本技术提供的单片式光调制器投影仪用光学引擎结构框图。图2是本技术第一实施方式的光学引擎平面结构示意图。图3是准直透镜阵列结构示意图，其中(a)是截面形状为圆形的渐变折射率透镜单元密集堆积成的准直透镜阵列；(b)是截面形状为矩形的渐变折射率透镜单元密集堆积成的准直透镜阵列。图4是沃拉斯顿合光棱镜合光原理图。图5是适用于本技术第一、第二和第三实施方式的带IlR棱镜的单片式DMD 光调制器光学引擎平面结构示意图。图6是适用于本技术第一、第二和第三实施方式的单片式LCoS光调制器光学引擎平面结构示意图。图7是本技术第二实施方式的光学引擎平面结构示意图。图8是本技术第三实施方式的光学引擎平面结构示意图。图9是适用于本技术第四实施方式的三片式光调制器光学引擎的结构框图。4图10是适用于本技术第四实施方案的三片式LCD光调制器光学引擎平面结构示意图。具体实施方式第一实施方式本技术第一实施方式适用于单片式DMD或LCoS光调制器的光学引擎。如图 2所示，该光学引擎包括RGB三基色激光光源21、24、27，三个光束耦合器22、25、观，三个准直透镜阵列23、沈、29，沃拉斯顿合光棱镜210，光调制器组件211、212、213，投影镜头214。光源采用激光光源，提供RGB三原色。一种颜色使用至少一个激光器。光源的驱动方式采用时间混色法，即在一帧时间内RGB三个光源依次发射时序光脉冲，单色脉冲宽度依白平衡来划分，利用人眼的视觉暂留特性实现单片光调制器的全彩显示。光束耦合器用来实现激光光源与准直透镜阵列的光学连接。单色激光器与透镜的连接方式必须保证一个激光束输出对应一个透镜单元，并且各激光束能量相同，光学特性一致。对于单光束输出的激光器，可以采用相同规格的光纤耦合器(Coupler)将激光器输出的总光束等分，再通过光纤准直器阵列耦合到透镜阵列，此时光束耦合结构由光纤耦合器和光纤准直器阵列组成。光束耦合器输出的阵列光束中的单束激光需具备一定的发散角，以保证每个单元光束在对应渐变折射率透镜单元中扩束后的截面面积略大于该渐变折射率透镜单元的截面面积。三个准直透镜阵列构成的勻光系统是整个光路的核心器件，功能是将入射的阵列光束进行勻光、整形与准直，出射光斑为能量分布均勻的矩形光斑。准直透镜阵列由几何参数、光学特性、加工精度均相同的渐变折射率透镜组成。渐变折射率透镜(也称自聚焦透镜，Gradient-Index Lens, GRIN Lens)的折射率由光轴沿径向向外逐渐减小，呈二次分布。 光在折射率逐渐降低的薄层中传输时，基于折射原理自动向中心偏转，因此光路呈正弦曲线。当光本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种投影仪用光学引擎，包括光源、光束耦合器、匀光系统、合光系统、调制系统和投影镜头；其特征在于：所述光源为ＲＧＢ三基色激光光源，所述ＲＧＢ三基色激光光源产生的三基色激光分别经三个光束耦合器输出三组阵列光束；所述匀光系统包括三个准直透镜阵列，每个准直透镜阵列由相同的、光学长度为四分之一节距的渐变折射率透镜单元组成；三组阵列光束分别经三个准直透镜阵列输出三组能量分布均匀的平行光，其中阵列光束的每个单元光束具有一定的发散角，以保证每个单元光束在对应渐变折射率透镜单元中扩束后的截面面积略大于该渐变折射率透镜单元的截面面积；三组能量分布均匀的平行光经合光系统合光后，再经调制系统调制成光学图像信息并输入到投影镜头；或者，三组能量分布均匀的平行光分别经三个调制系统调制成光学图像信息，然后再经合光系统合光后输入到投影镜头。

【技术特征摘要】
1.一种投影仪用光学引擎，包括光源、光束耦合器、勻光系统、合光系统、调制系统和投影镜头；其特征在于所述光源为RGB三基色激光光源，所述RGB三基色激光光源产生的三基色激光分别经三个光束耦合器输出三组阵列光束；所述勻光系统包括三个准直透镜阵列，每个准直透镜阵列由相同的、光学长度为四分之一节距的渐变折射率透镜单元组成；三组阵列光束分别经三个准直透镜阵列输出三组能量分布均勻的平行光，其中阵列光束的每个单元光束具有一定的发散角，以保证每个单元光束在对应渐变折射率透镜单元中扩束后的截面面积略大于该渐变折射率透镜单元的截面面积；三组能量分布均勻的平行光经合光系统合光后，再经调制系统调制成光学图像信息并输入到投影镜头；或者，三组能量分布均勻的平行光分别经三个调制系统调制成光学图像信息，然后再经合光系统合光后输入到投影镜头。2.根据权利要1所述的投影仪用光学引擎，其特征在于，所述光学长度为四分之一节距的渐变折射率透镜单元的截面形状为圆形或矩形，多个渐变折射率透镜单...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁康成，芮大为，林祖伦，王小菊，曹贵川，陈文彬，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：实用新型
国别省市：90