液晶晶片正投式投影機光學系統的製作方法

2023-11-10 20:57:52

專利名稱：液晶晶片正投式投影機光學系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種液晶晶片正投式投影機光學系統。投影機主要指由三片(而非單片)透射式液晶晶片組成的正投式(而非背投式)投影機；光學系統主要指其內部的燈泡、聚光鏡、混光系統、偏光系統、照明物鏡、分光合光系統、液晶晶片以及投影鏡頭組成的系統，也包括場鏡、紫外紅外濾光片、二分之一波片以及偏振片等。
為實現這樣的目的，本發明採用光棒混光代替複眼透鏡混光、用兩片式偏光稜鏡代替多片稜鏡膠合的偏振光束分離器以及用L形稜鏡代替X形稜鏡。
光學系統包括燈泡、混光偏光、照明物鏡以及分光合光四大部分。燈泡用於產生投影用的白光束。混光偏光部分則包括橢球反射面聚光鏡、反射鏡、光棒、準直透鏡組以及兩片式偏光稜鏡。橢球反射面聚光鏡將位於其最近焦點上的燈泡發出的光聚焦到光棒的入射端面上。反射鏡置於橢球反射面聚光鏡與光棒的光路中間，並將光路轉了90°，它的加入可縮小光學系統所佔的空間，並可以透過燈泡發出的不需要的紅外線和紫外線，紅外線照射後面光學元件會使它們溫度上升，紫外線則對人體有傷害。光在光棒內混合，以消除燈泡發光面的不均勻性。從光棒出射端面出射的發散光束由隨後的準直透鏡組準直(壓縮發散角)，以利於後面的兩片式偏光稜鏡工作。兩片式偏光稜鏡將準直透鏡組的出射光束變成偏振光(這是由於液晶晶片工作時需要偏振光)。照明物鏡部分包括照明前透鏡、反射鏡以及照明後透鏡。照明前透鏡和照明後透鏡組成一個透鏡組，將兩片式偏光稜鏡出射的光均勻地會聚到液晶晶片上。反射鏡置於照明前透鏡和照明後透鏡的光路中間，並將光路轉了90°，它是純粹為縮小光學系統所佔空間而加入的。所說的分光合光部分包括透蘭分光鏡、反射鏡、透紅分光鏡、三片場鏡和三片液晶晶片、合光稜鏡以及投影物鏡。從照明後透鏡出射的光束經過透蘭分光鏡後，透射的是蘭光，經反射鏡反射後依次照射到第三片場鏡和第三片液晶晶片上，由第三片液晶晶片控制投影的蘭色分量；經透蘭分光鏡反射的紅綠光經過透紅分光鏡後，透射的是紅光，依次照射到第一片場鏡和第一片液晶晶片上，由第一片液晶晶片控制投影的紅色分量；經透紅分光鏡反射的綠光依次照射到第二片場鏡和第二片液晶晶片上，由第二片液晶晶片控制投影的綠色分量。透過三個液晶晶片的光經合光稜鏡後合為一束光，入射到投影鏡頭內，由投影鏡頭投射到屏幕上。
本發明具有顯著的效果，在結構布置上也有較大的靈活性。本發明採用光棒作為光束混合器，光棒為規則的稜鏡，相比複眼透鏡加工要容易得多，大大降低了混光系統的成本。而且混合的效果可通過光棒的長度加以調節。由於光束在光棒內部來回反射，光棒可用來壓縮光斑尺寸和會聚角的乘積，提高光源的利用率。本發明採用了兩片式偏光稜鏡，比之多個稜鏡組成的偏振光束分離器，顯然成本要低的多。在本發明的分光系統中採用了兩個分立的分光鏡、一個分立的反射鏡和三片相同的場鏡，加工成本低，裝校容易，而在先技術中的分光部分採用的分光鏡和反射鏡較多，有一個場鏡與其它的不同，還需加輔助透鏡。本發明的合光系統中採用了作為整體的合光稜鏡，其加工和裝配難度較之X形稜鏡為低，對降低投影機成本也有利，並能保證足夠的輸出光通量和比較高的圖像解析度。


及
具體實施例方式圖1為本發明的光學系統結構示意圖。
如圖所示，本發明的液晶晶片正投式投影機光學系統結構包括燈泡3、混光偏光、照明物鏡以及分光合光四大部分。
橢球反射面聚光鏡2的反射面為橢球面的一部分，有一個通過橢球面兩個焦點的旋轉對稱軸。在本發明中，燈泡3的中心位於橢球反射面聚光鏡2的反射面的一個靠近反射面的焦點附近且位於橢球反射面聚光鏡2的反射面的旋轉對稱軸上，與旋轉對稱軸重合的為第一水平線pp。在第一水平線pp上，在橢球反射面聚光鏡2的反射面的兩個焦點之間置有第一結構用反射鏡1，第一結構用反射鏡1的反射面與第一水平線pp成45°角放置；這樣，第一結構用反射鏡1將橢球反射面聚光鏡2的另一個焦點(燈泡3中心佔據了一個焦點)反射到通過第一結構用反射鏡1的反射面與第一水平線pp的交點且垂直於第一水平線pp的第一垂直線ss上。光束經橢球反射面聚光鏡2的反射面的反射以及第一結構用反射鏡1的反射面的反射後，會聚於橢球反射面聚光鏡2反射面的另一個焦點附近，也就在第一垂直線ss上。燈泡3與橢球反射面聚光鏡2反射面在第一水平線pp上的間距的準確數量應使會聚後的光斑尺寸和會聚角的乘積最小。
在會聚後的光束行進方向上且中心軸線與第一垂直線ss重合地置有光棒4，光棒4入射端面與光斑重合。光在光棒4內來回反射，達到混光的效果。
在光棒4出射端面出射光束前進的方向上且在第一垂直線ss上依次置有準直透鏡組5和兩片式偏光稜鏡8。準直透鏡組5的光軸與第一垂直線ss重合，焦距為F1，焦點位於光棒4的出射端面中心。光棒4出射端面上一點發出的光束經準直透鏡組5後成為平行光束，平行光束與光軸的最大角度為θ(tgθ＝D/2F1，D為光棒4的出射端面對角線的長度)，θ應小於8°。兩片式偏光稜鏡8的入射端面AA′與第一垂直線ss垂直，中心位於第一垂直線ss上。
在通過兩片式偏光稜鏡8的出射端面BB′的中心O且與第一垂直線ss平行的第二垂直線s′s′上，沿兩片式偏光稜鏡8出射端面BB′出射光束前進的方向上依次置有照明前透鏡11和第二結構性反射鏡17，照明前透鏡11的光軸與第二垂直線s′s′重合，第二結構性反射鏡17的反射面與第二垂直線s′s′成45°角放置。
在通過第二結構性反射鏡17的反射面與第二垂直線s′s′的交點且垂直於第二垂直線s′s′的第二水平線p′p′上，沿第二結構性反射鏡17的反射面反射光束前進的方向上依次置有照明後透鏡18、透蘭分光鏡19和反射鏡20。照明後透鏡18的光軸與第二水平線p′p′重合，透蘭分光鏡19的分光面與第二水平線p′p′成45°角放置，反射鏡20的反射面與透蘭分光鏡19的分光面平行。
在通過透蘭分光鏡19的分光面與第二水平線p′p′的交點O′且垂直於第二水平線p′p′的第三垂直線s″s″上，沿透蘭分光鏡19分光面反射光束前進的方向上依次置有透紅分光鏡12、第一片場鏡10、第一片液晶晶片9、合光稜鏡6的第一入射面CC′和合光稜鏡6的反射面FF′。透紅分光鏡12的分光面與透蘭分光鏡19的分光面平行，透紅分光鏡12的分光面與第三垂直線s″s″的交點為O″，第一片場鏡10和第一片液晶晶片9的光軸與第三垂直線s″s″重合，合光稜鏡6的第一入射面CC′與第三垂直線s″s″垂直，合光稜鏡6的反射面FF′與透蘭分光鏡19的分光面平行，合光稜鏡6的反射面FF′與第三垂直線s″s″的交點為O，應保證O′O″＝O″O。
在通過透紅分光鏡12的分光面與第三垂直線s″s″的交點O″且垂直於第三垂直線s″s″的第三水平線p″p″上，沿透紅分光鏡12分光面反射光束前進的方向上依次置有第二片場鏡13、第二片液晶晶片14、合光稜鏡6的第二入射面DD′和合光稜鏡6的透蘭合光面GG′。第二片場鏡13和第二片液晶晶片14的光軸與第三水平線p″p″重合，合光稜鏡6的第二入射面DD′與第三水平線p″p″垂直，合光稜鏡6的透蘭合光面GG′與透紅分光鏡12的分光面平行。
在通過反射鏡20的反射面與第二水平線p′p′的交點O″″且垂直於第二水平線p′p′的第四垂直線ss上，沿反射鏡20反射面反射光束前進的方向上依次置有第三片場鏡16、第三片液晶晶片15、合光稜鏡6的第三入射面EE′、合光稜鏡6的透蘭合光面GG′以及合光稜鏡6的透紅合光面HH′。應保證O′O″＝O′O″″。第三片場鏡16和第三片液晶晶片15的光軸與第四垂直線ss重合，合光稜鏡6的第三入射面EE′與第四垂直線ss垂直，合光稜鏡6的透紅合光面HH′與反射鏡20的反射面平行。第四垂直線ss通過第三水平線p″p″與合光稜鏡6的透蘭合光面GG′的交點。
第一片場鏡10、第一片液晶晶片9以及合光稜鏡6的第一入射面CC′與第三垂直線s″s″和合光稜鏡6的反射面FF′的交點O的距離，第二片場鏡13、第二片液晶晶片14以及合光稜鏡6的第二入射面DD′與第三水平線p″p″和合光稜鏡6的透蘭合光面GG′的交點的距離，第三片場鏡16、第三片液晶晶片15以及合光稜鏡6的第三入射面EE′與第三水平線p″p″和合光稜鏡6的透蘭合光面GG′的交點的距離，應分別對應地相等。
第一片液晶晶片9、第二片液晶晶片14以及第三片液晶晶片15均位於照明前透鏡11與照明後透鏡18組成的照明物鏡的像方焦點處。照明前透鏡11與照明後透鏡18組成的照明物鏡的焦距為F2，且F2與F1之比稍大於(例如大2％)液晶晶片尺寸(指第一片液晶晶片9、第二片液晶晶片14以及第三片液晶晶片15，它們的尺寸相同)與光棒4出射端面尺寸之比。
在通過第三垂直線s″s″和合光稜鏡6的反射面FF′的交點O且垂直於第三垂直線s″s″的第四水平線pp上，沿著合光稜鏡6的反射面FF′反射的光束前進的方向上，依次置有合光稜鏡6的透紅合光面HH′、合光稜鏡6的出射面H′以及投影鏡頭組7。合光稜鏡6的出射面II′與第四水平線pp垂直，投影鏡頭組7的光軸與第四水平線pp平行。第四水平線pp通過第四垂直線ss與合光稜鏡6的透紅合光面HH′的交點。
除燈泡3、第一片液晶晶片9、第二片液晶晶片14和第三片液晶晶片15外，其餘均為玻璃材料製品。
所說的第一結構用反射鏡1，其反射面上鍍有可以透過燈泡發出的不需要的紅外線和紫外線的膜。
所說的光棒4是一個對稱的六面體稜鏡，最小的兩個端面是平行的，其中最小端面是正方形，也就是入射端面，邊長與入射的光斑直徑吻合；另一個端面是長方形，長寬比等於液晶晶片的長寬比，寬度與入射端面邊長相等，也就是出射端面。
所說的兩片式偏光稜鏡8，是由一個等腰直角三角形稜鏡(非工作端面為等腰直角三角形ABO)和一個平行四邊形稜鏡(非工作端面為平行四邊形AA′B′O)膠合而成，平行四邊形AA′B′O的一個對角線(A′O)與邊垂直，長度與等腰直角三角形ABO的直角邊相同。膠合發生在兩稜鏡大工作面上，即膠合面AO上。膠合後等腰直角三角形稜鏡的一個小工作面BO面，與平行四邊形稜鏡一個小工作面OB′面，在一個平面上，即在出射面BB′上。出射面BB′的OB′端貼有二分之一波片。入射的光束通過入射面AA′打在膠合面AO上，膠合面AO上鍍有偏振分光膜，偏振面與第一垂直線ss和膠合面AO的法線決定的平面平行的光束(p光)將透過膠合面AO，偏振面與第一垂直線ss和膠合面AO的法線決定的平面垂直的光束(s光)將由膠合面AO反射，再由面A′B′全反射後經過二分之一波片後也成為p光。也就是說，二分之一波片的快軸方向應使經過它的s光變成p光。
所說的透蘭分光鏡19，是一個平行平板玻璃，其分光面上鍍有分光膜，通過分光膜的光為蘭光，反射的光為紅綠光。
所說的透紅分光鏡12，是一個平行平板玻璃，其分光面上鍍有分光膜，通過分光膜的光為紅光，反射的光為綠蘭光。
所說的合光稜鏡6的透蘭合光面GG′，其合光面上鍍有分光膜，通過分光膜的光為蘭光，反射的光為紅綠光。
所說的合光稜鏡6的透紅合光面HH′，其合光面上鍍有分光膜，通過分光膜的光為紅光，反射的光為綠蘭光。
燈泡3發出的光束經橢球反射面聚光鏡2的反射面的反射以及第一結構用反射鏡1的反射面的反射後，其中的可見光分量會聚於橢球反射面聚光鏡2反射面的另一個焦點附近，也就在第一垂直線ss上光棒4的入射端面上。光在光棒4內來回反射，達到混光的效果。從光棒4出射端面出射的光束經準直透鏡組5後準直，也就是說，光棒4出射端面上任一點發出的光束經準直透鏡組5後成為平行光束。準直後的光束入射到兩片式偏光稜鏡8入射面AA′上，其中p分量直接通過膠合面AO後從出射面BO端出射，s分量經過膠合面AO和面A′B′全反射後入射到貼在出射面OB′端的二分之一波片上，經過二分之一波片後成為p光出射。也就是說，準直後的光束通過兩片式偏光稜鏡8後變成偏振的p光。從兩片式偏光稜鏡8出射面BB′出射的光束經過照明前透鏡11的透射、第二結構性反射鏡17的反射面反射以及照明後透鏡18的透射後入射透蘭分光鏡19上，透蘭分光鏡19的分光面將光分成兩部分一部分是透過透蘭分光鏡19的分光面的蘭光，另一部分是經透蘭分光鏡19分光面反射的紅綠光。
蘭光經反射鏡20反射面反射後，透過第三片場鏡16後主光線平行地照射在第三片液晶晶片15上，第三片液晶晶片15對蘭光進行空間灰度調製。通過第三片液晶晶片15的蘭光經合光稜鏡6的透蘭合光面GG′的透射以及合光稜鏡6的透紅合光面HH′的反射後從合光稜鏡6的出射面II′出射，經投影鏡頭組7後將第三片液晶晶片15的像投射到屏幕上。
紅綠光經透紅分光鏡12的分光面後，將分成兩部分一部分是透過透紅分光鏡12的分光面的紅光，另一部分是經透紅分光鏡12分光面反射的綠光。
紅光透過第一片場鏡10後主光線平行地照射在第一片液晶晶片9上，第一片液晶晶片9對紅光進行空間灰度調製。通過第一片液晶晶片9的紅光經合光稜鏡6的反射面FF′的反射以及合光稜鏡6的透紅合光面HH′的透射後從合光稜鏡6的出射面II′出射，經投影鏡頭組7後將第一片液晶晶片9的像投射到屏幕上。
綠光透過第二片場鏡13後主光線平行地照射在第二片液晶晶片14上，第二片液晶晶片14對綠光進行空間灰度調製。通過第二片液晶晶片14的綠光經合光稜鏡6的透蘭合光面GG′的反射以及合光稜鏡6的透紅合光面HH′的反射後從合光稜鏡6的出射面II′出射，經投影鏡頭組7後將第二片液晶晶片14的像投射到屏幕上。
第一片液晶晶片9、第二片液晶晶片14以及第三片液晶晶片15的像在屏幕上重疊，產生三原色(紅、綠和蘭)組合後的全色像。
本發明的光混合系統中採用光棒4作為光束混合器，可以消除燈泡3發光在空間分布上的不均勻性。光棒為規則的稜鏡，加工容易，由於是單個元件，裝校也容易，大大降低了光混合系統的成本。混合的效果也可通過光棒4的長度加以調節。由於光束在內部來回反射，光棒4可用來壓縮光斑尺寸和會聚角的乘積，提高光源的利用率。採用兩片式偏光稜鏡8的成本，比之多個稜鏡組成的PBS要低的多。分光系統中採用了兩個分立的分光鏡(透蘭分光鏡19和透紅分光鏡12)和一個分立的反射鏡20，三個場鏡(第一片場鏡10、第二片場鏡13和第三片場鏡15)是相同的，加工成本低，裝校容易，而在先技術中的分光部分採用的分光鏡和反射鏡較多，有一個場鏡與其它的不同，還需加輔助透鏡。合光系統中採用了作為整體的合光稜鏡6，合光稜鏡6的加工和裝配難度較之X形稜鏡為低，對降低投影機成本有利，並保證足夠的輸出光通量和比較高的圖像解析度。
本發明在結構布置上也有較大的靈活性，例如第二結構用反射鏡17可以加入也可以不加入，加入時光路可向任意合適的角度轉；由照明後透鏡18出射的光束可沿s″s″方向入射到透蘭分光鏡19上；投影物鏡7的光軸也可以沿著ss方向。
另外在三色光中，紅光和藍光的光路可以對調，也就是說，透蘭分光鏡19可以換成透紅性質的，同時透紅分光鏡12換成透蘭性質的，合光稜鏡的合光膜也做相應的變動，即透紅合光面HH′變成透蘭性質的，透蘭合光面GG′變成透紅性質的。
濾除光源中的紅外線和紫外線也可以採用在橢球反射面聚光鏡上鍍只對白光透過的分光膜。
在本發明的實施例中，光學系統如圖1所示。
燈泡3採用高壓汞燈(功率150W)，燈泡3至橢球反射面聚光鏡2反射面的距離為8mm左右；光棒4入射端面為5×5mm，出射端面為5×6.67mm，長度為60mm；準直透鏡組5的焦距為50mm，最大通光口徑為Ф40mm；從光棒4出射端面出射的光經過準直透鏡組5後光的角度範圍±4.8°以內；兩片式偏光稜鏡8的入射截面為20mm×30mm，出射截面為40mm×30mm。照明前透鏡11與照明後透鏡18的組合焦距為108mm，照明前透鏡11與照明後透鏡18的中間光程距離為70mm，兩者的最大通光口徑為Ф64mm。在分光合光部分中，O′O″＝O″O＝O′O＝50mm；第一片場鏡10、第二片場鏡13和第三片場鏡16的焦距為100mm，通光口徑為Ф20mm；投影鏡的焦距為27mm，工作距離大於80mm。
該投影機在1米、3.8米以及10米的投影距離上都能達到800×600像素的解析度。光通量在500流明以上。
權利要求
1.一種液晶晶片正投式投影機光學系統，包括燈泡、混光偏光、照明物鏡以及分光合光四大部分，其特徵在於燈泡(3)的中心位於橢球反射面聚光鏡(2)的反射面的旋轉對稱軸上，混光偏光部分中，在橢球反射面聚光鏡(2)與光棒(4)的光路中間置有反射鏡(1)，其反射面與橢球反射面聚光鏡(2)的旋轉對稱軸成45°角放置，將光路轉90°，光棒(4)入射端面與燈泡(3)經橢球反射面聚光鏡會聚的光斑重合，在光棒(4)出射端面出射光束前進的方向上依次置有準直透鏡組(5)和兩片式偏光稜鏡(8)，準直透鏡組(5)的焦點位於光棒(4)的出射端面中心，照明物鏡部分中，照明前透鏡(11)和照明後透鏡(18)組成一個透鏡組，在照明前透鏡(11)和照明後透鏡(18)的光路中間有反射鏡(17)，將光路轉90°，分光合光部分包括透蘭分光鏡(19)、反射鏡(20)、透紅分光鏡(12)、三片場鏡(10、13、16)、三片液晶晶片(9、14、15)、合光稜鏡(6)以及投影鏡頭組(7)，沿反射鏡(17)的反射面反射光束前進的方向上依次置有照明後透鏡(18)、透蘭分光鏡(19)和反射鏡(20)，透蘭分光鏡(19)的分光面與照明後透鏡(18)的光軸成45°角，與反射鏡(20)的反射面平行，沿透蘭分光鏡(19)分光面反射光束前進的方向上依次置有透紅分光鏡(12)、第一片場鏡(10)、第一片液晶晶片(9)、合光稜鏡(6)的第一入射面CC′和合光稜鏡(6)的反射面FF′，透紅分光鏡(12)的分光面以及合光稜鏡(6)的反射面FF′與透蘭分光鏡(19)的分光面平行，沿透紅分光鏡(12)分光面反射光束前進的方向上依次置第二片場鏡(13)、第二片液晶晶片(14)、合光稜鏡(6)的第二入射面DD′和合光稜鏡(6)的透蘭合光面GG′，合光稜鏡(6)的透蘭合光面GG′與透紅分光鏡(12)的分光面平行，沿反射鏡(20)反射面反射光束前進的方向上依次置有第三片場鏡(16)、第三片液晶晶片(15)、合光稜鏡(6)的第三入射面EE′、合光稜鏡(6)的透蘭合光面GG′以及合光稜鏡(6)的透紅合光面HH′，合光稜鏡(6)的透紅合光面HH′與反射鏡(20)的反射面平行，第一片液晶晶片(9)、第二片液晶晶片(14)以及第三片液晶晶片(15)均位於照明前透鏡(11)與照明後透鏡(18)組成的照明物鏡的像方焦點處，沿合光稜鏡(6)的反射面FF′反射光束前進的方向上依次置有合光稜鏡(6)的透紅合光面HH′、合光稜鏡(6)的面II′以及投影鏡頭組(7)。
2.如權利要求1所說的液晶晶片正投式投影機光學系統，其特徵在於所說的光棒(4)是一個對稱的六面體稜鏡，入射端面是正方形，邊長與入射的光斑直徑吻合，出射端面是長方形，長寬比等於液晶晶片的長寬比，寬度與入射端面的邊長相等，光棒(4)出射端面上一點發出的光束經準直透鏡組(5)後的平行光束與光軸的最大角度θ小於8°。
3.如權利要求1所說的液晶晶片正投式投影機光學系統，其特徵在於所說的兩片式偏光稜鏡(8)是由一個等腰直角三角形稜鏡和一個平行四邊形稜鏡膠合而成，膠合面鍍有偏振分光膜，出射面貼有二分之一波片。
4.如權利要求1所說的液晶晶片正投式投影機光學系統，其特徵在於所說的透蘭分光鏡(19)與透紅分光鏡(12)是平行平板玻璃，其分光面上鍍有分光膜。
5.如權利要求1所說的液晶晶片正投式投影機光學系統，其特徵在於所說的合光稜鏡(6)的透蘭合光面與透紅合光面上鍍有分光膜。
全文摘要
一種液晶晶片正投式投影機光學系統,包括燈泡、混光偏光、照明物鏡以及分光合光四大部分。橢球反射面聚光鏡將白光聚焦到光棒的入射端面上,橢球反射面聚光鏡與光棒的光路中間有反射鏡將光路轉90°,光在光棒內混合後出射的發散光束經準直透鏡組、兩片式偏光稜鏡變成偏振光,再經透鏡組光路中間的反射鏡將光路轉90°,經過透藍分光鏡、透紅分光鏡及場鏡和液晶晶片,由合光稜鏡合為一束光,入射到投影物鏡內,由投影物鏡投射到屏幕上。本發明在結構布置上有較大的靈活性,光學元件加工容易,降低了系統成本,並保證足夠的輸出光通量和比較高的圖像解析度。
文檔編號H04N9/31GK1350192SQ0113225
公開日2002年5月22日 申請日期2001年11月20日 優先權日2001年11月20日
發明者徐文東, 竇曉鳴, 黃維實 申請人:上海交通大學