CN102789122A - 一种基于led光源的dlp投影光学系统 - Google Patents

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张蕊
何玉林
何春生
赵武
李智超
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Abstract

本发明公开了一种基于LED光源的DLP投影光学系统，具有LED光源照明系统，DMD器件、TIR棱镜和投影镜头，其中：所述LED光源照明系统由LED光源组、锥形光棒、中继透镜组构成，所述锥形光棒为单边锥形，其入射端口径与光源比例接近，长宽比为1∶1，出射端长宽比为16∶10，出射端中径短边和入射端尺寸一致，所述DMD器件为菱形像素，在垂直于DMD器件像素铰链方向是锥形光棒的长边方向。解决了平面型LED光源与DMD芯片的长宽比不匹配问题，提高数字投影机系统能量利用率而不降低投影机系统的对比度。

Description

一种基于LED光源的DLP投影光学系统
技术领域
本发明属于微型或便携投影机技术领域，具体涉及一种基于LED光源的DLP投影光学系统。
背景技术
近几年，DLP投影显示技术凭借其丰富的色彩、高清晰的画面、高亮度的图像及高对比度的显示得到迅速发展，它可以实现体积更小，重量更轻的产品特性，特别是在电影院数字放映领域，其优势无可比拟。DLP技术中的核心部件主要采用的是DMD数字图像芯片，DMD是美国德州仪器公司独家掌握并开发的数字图像芯片，它是由很多矩阵排列的数字微反射镜组成，工作时微型反光镜随图像数字信号会有10度、12度或14度的翻转，将来自照明光源的光束通过微反射镜的翻转反射进入投影镜头成像在屏幕上。为匹配DMD芯片的入射角度，提高投影显示画面的均匀性，合理布局投影设备部件。
LED光源的出现，让投影机从光源技术上得到革新，在投影业界刮起革新飓风。LED光源是固态光源，在抗震动损伤方面的优势绝不是汞灯真空灯泡能媲美的；LED光源是数字光源，能够提供较好的可调控性，满足高性能投影和节能投影的应用需求；LED光源满足广色域高对比度的特征，能够提供更为多彩的显示技术效果；LED光源都属于冷光源技术，发光效率极高而且还在不断提升，理论值在汞灯的三倍以上，这不仅符合环保节能的理念，更能够大幅度简化投影机散热和寿命维持系统的设计；LED光源是长寿命光源，最短寿命突破20000小时，最长寿命可支持十万小时以上的应用，投影产品可从此告别耗材时代。
LED光源具有上述诸多优点，但是也具有光源发散角度大-近朗波分布，光线不易收集的缺点。此前上市的高亮度的LED光源微型投影机，如明基的GP1、宏基的K10等，奥图码DH5101等多采用DLP投影光学系统，光学匀光系统中使用复眼照明结构，结构紧凑，整体亮度也较高。但是使用的系统孔径角较大，有的甚至超过了DMD微镜的翻转角度极限，使部分平状态光线进入正状态，对比度下降，影响整体图像质量。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种基于LED光源的DLP投影光学系统，解决了平面型LED光源与DMD芯片的长宽比不匹配问题，提高数字投影机系统能量利用率而不降低投影机系统的对比度。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案：该基于LED光源的DLP投影光学系统，具有LED光源照明系统，DMD器件、TIR棱镜和投影镜头，其特征在于：所述LED光源照明系统由LED光源组、锥形光棒、中继透镜组构成，所述锥形光棒为单边锥形，其入射端口径与光源比例接近，长宽比为1：1，出射端长宽比为16：10，出射端中径短边和入射端尺寸一致；所述DMD器件为菱形像素，在垂直于DMD器件像素铰链方向是锥形光棒的长边方向。
所述中继透镜组中在孔径光栏位置设有一拦杂光光栏。
所述投影镜头采用椭圆形光栏。
所述LED光源组包含光线整形组合系统，其由交叉二向色镜及透镜组成；其中至少包含一片非球面透镜，所述透镜将LED光源近似成像在锥形光棒的入射端。
采用上述技术方案的有益效果：该投影系统的照明部分采用单边锥形光棒，在DMD器件工作时，菱形像素的DMD器件每个像素沿铰链方向不停的在“12°”、“0°”、“-12°”翻转（对应于12°DMD器件），把入射到垂直于DMD器件像素铰链方向的入射光反射进入投影镜头内，这部分光线相当于投影镜头数值孔径为F/2.4的光线，由照明光路锥形光棒的长边方向提供。此外的，在平行于DMD器件像素铰链方向的光线经过DMD器件像素反射后进入投影镜头，这部分光线相当于投影镜头数值孔径为F/1.5的光线，这部分光线由照明光路锥形光棒的短边方向提供，从而使LED光源的光线得到充分利用，增加了系统的能量利用率；同时在垂直于DMD器件像素铰链方向，照明系统提供的光线角度为数值孔径F/2.4，与DMD器件的投影镜头的的椭圆光栏得到很好的匹配，从而不降低系统的对比度。所以，采用上述方案设计成的投影光学系统，既可以提高数字投影机系统能量利用率，又能获得投影机系统较高的对比度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明所使用镜头的椭圆光栏形状图。
具体实施方式
如图1所示的基于LED光源的DLP投影光学系统，由LED光源组1、锥形光棒2、中继透镜组3、DMD器件4、TIR棱镜5及投影镜头6组成。使用Luminus的PT54（4:3）光源7，DMD器件4为0.45寸wxga（16:10）芯片，其中LED光源组1包含光线整形组合系统，它由交叉二向色镜10、11，及透镜（8、9、12）组成；透镜9、12为非球面透镜，三个透镜将LED光源近似成像在锥形光棒的入射端，光线整形组合系统具有结构紧凑，能量收集效率高的特点。所述锥形光棒2为单边锥形，其入射端口径与光源比例接近，长宽比为1：1，出射端长宽比为16：10，与DMD器件一致，出射端中径短边和入射端尺寸一致，所述DMD器件为菱形像素，在垂直于DMD器件像素铰链方向是锥形光棒的长边方向。具体的，锥形光棒入射端尺寸为 4.1X4.1，出射端为6.2X4.1。经过整形的LED光源光线，通过锥形光棒后出射为两个方向不同数值孔径的光线，经过中继透镜组3照射在DMD器件4上。为得到较好的照明效果，其中中继透镜组3由四块透镜（13、14、16、17）组成，用于将光棒出射端面很好地成像在DMD显示芯片上，在孔径光栏附近设有一光栏15，用于拦截杂散光，以获得较高的对比度。在垂直于DMD器件像素铰链方向是锥形光棒的长边方向，在此方向照明系统光线角度等于DMD芯片的翻转角度+/-12度即F/2.4，与DMD器件的投影镜头的的椭圆光栏得到很好的匹配，从而不降低系统的对比度。平行于DMD器件像素铰链方向是锥形光棒的短边方向，在此方向照明系统光线角度为F/1.5，DMD芯片在这个方向上与对光线没有角度限制，能够最大化提高LED光源的能量利用率。DMD器件通过数字信号控制，由微镜反射光线透过投影镜头出射在屏幕上，形成色彩丰富的图像。其中投影镜头采用椭圆形光栏18，如图2所示，其轴向方向能够和DMD器件与照明系统很好匹配，从而达到技能提高系统能量利用率，又能够达到较高对此度的效果。经实际测试本系统能够达到光通量400lm,全开关对此度1000:1的良好图像效果。
本发明的创新是通过锥形光棒将LED光源出射光线改变为两个方向不同孔径角的出射光线，在其中一个方向上孔径角和DMD芯片翻转角度相匹配，从而实现图像最佳的亮度和对比度。凡是采用本发明结构或类似结构，实现相同的发明目的，均属本发明保护的范畴。

Claims (4)

1.一种基于LED光源的DLP投影光学系统，具有LED光源照明系统，DMD器件、TIR棱镜和投影镜头，其特征在于：所述LED光源照明系统由LED光源组、锥形光棒、中继透镜组构成，所述锥形光棒为单边锥形，其入射端口径与光源比例接近，长宽比为1：1，出射端长宽比为16：10，出射端中径短边和入射端尺寸一致；所述DMD器件为菱形像素，在垂直于DMD器件像素铰链方向是锥形光棒的长边方向。
2.如权利要求1所述的基于LED光源的DLP投影光学系统，其特征在于：所述中继透镜组中在孔径光栏位置设有一拦杂光光栏。
3.如权利要求1或2所述的基于LED光源的DLP投影光学系统，其特征在于：所述投影镜头采用椭圆形光栏。
4.如权利要求1所述的基于LED光源的DLP投影光学系统，其特征在于：所述LED光源组包含光线整形组合系统，其由交叉二向色镜及透镜组成；其中至少包含一片非球面透镜，所述透镜将LED光源近似成像在锥形光棒的入射端。
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