CN103217734A - 用于数字投影光路的导光管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数字投影光路的导光管，所述导光管的一端为入射端面，另一端为出射端面，所述导光管的内侧形成有反射面，所述入射端面进来的圆形光斑经反射面多次反射后形成矩形光斑从出射端面射出，其中，所述导光管的入射端面和出射端面均为矩形状，所述导光管的入射端面的宽高比小于出射端面的宽高比；所述导光管的入射端面的宽高比大致为1:1，出射端面的宽高比大致为16:9或4:3。本发明提供的用于数字投影光路的导光管，能够提高投影中画面均匀性和光能量的利用率，且结构简单，易于设计推广。

Description

用于数字投影光路的导光管

技术领域

本发明涉及一种玻璃导光管，尤其涉及一种用于数字投影光路的导光管。

背景技术

DLP是“Digital Light Procession”的缩写，即为数字光处理，也就是说这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。它是基于TI（美国德州仪器）公司开发的数字微镜晶片（DMD）来实现数字光学处理过程。

DLP的原理是将光源发射出的光通过光学透镜和Rod(光棒)将光均匀化，经过处理后的光通过一个色轮（Color Wheel），将光分成RGB三色（或者RGBW等更多色），现在也有一些厂家利用BSV液晶拼接技术镜片过滤光线传导，再将色彩由透镜投射在DMD芯片上，最后反射经过投影镜头在投影屏幕上成像。DMD芯片外观看起来只是一小片镜子，被封装在金属与玻璃组成的密闭空间内，事实上，这面镜子是由数十万乃至上百万个微镜所组成的。以XGA解析度的DMD芯片为例，在宽1cm，长1.4cm的面积里有1024×768=786432个微镜单元，每一个微镜代表一个像素，图像就由这些像素所构成。由于像素与芯片本身都相当微小，因此业界也称这些采用微型显示装置的产品为微显示器。

DMD照明光路中核心光学元件导光管对这个照明系统起着决定性的作用。其导光管在整个照明系统中的作用就是通过导光管(Light-tunnel)将光源输出的圆形光斑转化为DMD所需要的矩形照明光斑，同时也要满足光学系统光能利用率及照明均匀性要求高的光学系统。导光管可以为实心的玻璃棱镜，如图1所示，其工作原理类似于光纤，光从入射端面1进入导光棒之后，经过反射面3多次反射从另一端出射端面2射出，在出射端面2上形成照明均匀的矩形光斑。入射端面1、出射端面2形状和显示元件相对应，常用的为矩形。实心光管（常称为Light-rod）利用光波在玻璃内的全反射，其特点是反射效率高、成本低等优点。但如果表面抛光光洁度不高或表面有异物时光线就会在有瑕疵的地方发生折射和散射，导致光的利用率下降，所以实心光棒对加工、组装以及使用环境洁净度有较高的要求。同时，光线在进入和离开光棒时会有一定的反射发生，这也会降低光的利用率。

导光管也可以是表面镀高反射薄膜的平面反射镜粘合而成的空心器件，如图2所示。空心光管（常称为Light-tunnel）实际上就是由数片反射镜粘合而成的光导器件（反射镜镀膜面朝里）。利用光线在反射镜表面的反射实现光能在光棒内的传输，避免了玻璃材料的吸收和相对实心光棒前后表面的反射造成能量的损失。另外空心光管由于反射发生在导光管内侧，外侧有一层玻璃保护，环境中的灰尘不容易进入空心光管内，因此对加工、组装以及使用环境的要求都很低。

由上可见，对于数字投影光路的导光管，如何提高光线利用率并保证均匀性是一个关键技术问题。现行业常用Light-tunnel由于受薄膜技术、大数值孔径等因素的影响，光能利用率在80%左右，目前业内人士普遍通过减小Light-tunnel长度来减少反射次数，从而提高光能的利用率，但这也是建立在损失均匀性的基础之上并且增加了导光管之后光路的设计难度，最终得到的结果得不偿失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于数字投影光路的导光管，能够提高投影中画面均匀性和光能量的利用率，且结构简单，易于设计推广。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种用于数字投影光路的导光管，所述导光管的一端为入射端面，另一端为出射端面，所述导光管的内侧形成有反射面，所述入射端面进来的圆形光斑经反射面多次反射后形成矩形光斑从出射端面射出，其中，所述导光管的入射端面和出射端面均为矩形状，所述导光管的入射端面的宽高比小于出射端面的宽高比。

上述的用于数字投影光路的导光管，其中，所述导光管的入射端面的宽高比大致为1:1，出射端面的宽高比大致为16:9。

上述的用于数字投影光路的导光管，其中，所述导光管的入射端面的宽高比大致为1:1，出射端面的宽高比大致为4:3。

上述的用于数字投影光路的导光管，其中，所述入射端面进来的圆形光斑位于入射端面的中间且在入射端面的矩形框内。

上述的用于数字投影光路的导光管，其中，所述导光管为锥形实心光管。

上述的用于数字投影光路的导光管，其中，所述导光管为锥形空心光管，所述锥形空心光管由多块平面反射镜粘合而成，所述平面反射镜表面镀有高反射薄膜。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的用于数字投影光路的导光管，通过将入口入射端面宽高比调整为接近1:1使得整个导光管的形状类似于一个入口尺寸小于出口尺寸的光锥管，不仅解决了现行业所用导光管光能利用低、加工工艺复杂、长度长、均匀性差等问题，而且使整个投影光学系统尺寸在保持光学性能不变的情况下大大减小，使光路结构紧凑，有利于投影系统向高亮度，小体积方向发展。

附图说明

图1为现有用于数字投影光路的实心导光棒结构示意图；

图2为现有用于数字投影光路的空心导光管结构示意图；

图3为本发明用于数字投影光路的导光管结构示意图；

图4为本发明用于数字投影光路的导光管入射端面结构示意图；

图5为本发明用于数字投影光路的导光管出射端面结构示意图；

图6为导光管中光线反射和均匀性关系示意图；

图7为导光管中光线发散和均匀性关系示意图。

图中：

1入射端面  2出射端面  3反射面

4矩形光斑  5圆形光斑

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图3为本发明用于数字投影光路的导光管结构示意图。

请参见图3，本发明提供的用于数字投影光路的导光管的一端为入射端面1，另一端为出射端面2，所述导光管的内侧形成有反射面3，所述入射端面1进来的圆形光斑5经反射面3多次反射后形成矩形光斑4从出射端面5射出，其中，所述导光管的入射端面1和出射端面2均为矩形状，所述导光管的入射端面1的宽高比小于出射端面2的宽高比。

本发明提供的于数字投影光路的导光管，所述导光管可以为锥形实心光管，也可以为锥形空心光管。对于锥形空心光管，一般由多块平面反射镜粘合而成，所述平面反射镜表面镀有高反射薄膜，所述高反射薄膜反射率达到98%以上，耐高温为400度以上。不论空心还是实心导光管，光在导光管内传输原理都是一样的，其工作原理当进入导光管的光线由于空间角度的不同，在光棒内发生不同次数的反射。光线每发生一次反射，就可以将光源关于反射面对称为一个新的虚拟光源。

请继续参见图4和图5，本发明提供的用于数字投影光路的导光管，其中，所述导光管的入射端面1的宽度W1和高度H1比大致为1:1，出射端面2的宽度W2和高度H2比大致为16:9或者4:3。所述入射端面1进来的圆形光斑位于入射端面的中间且最好与入射端面的矩形框相切。经过多次反射后，就可以将实际光源展开为二维光源阵列，阵列中每个光源的像对应着具有相应反射次数的光线，而阵列行数和列数由在横向和竖向具有最大的入射角的光线发生反射的次数决定。

光斑的均匀性与光线在光棒中的反射次数N有很大的关系，反射次数越多虚点光源数越多，而光棒的长宽和长度，入射角U共同制约了反射次数的多少，下面推导一下三者的关系。如图6所示，L为光棒的长度，ON为反射N次的虚像点。H为光棒的高度，O点为光线聚焦的位置。由图中可以看出：

L=Z+(OO^N+H/2)/tgU

Z=H/2tgU

OO^N=(N-1)×H

L=H/2tgU+[(N-1)×H+H/2]tgU

=L×H×ctgU

N=L×tgU/H

从上式可以看出，导光管的长度和第二焦面的入射角度越大则反射次数越多，均匀性也越好，而导光管越细，则也可以增加反射次数使均匀性提高，但是均匀性也不是随着长度的增加而一直提高下去，达到一定的长度后，均匀性将不再有明显变化，也就是说存在一个均匀性极限的问题，对不同长度时截面固定且为矩形光棒的实验矩形光管长度和均匀性之间关系如下表所示：

长度/mm	3	4	5	6	7	8	9	10	15	20	25	35	50
														均匀性/%	27	77	76	79	79	78	74	78	76	79	80	86	80

导光管的长度、数值孔径NA不仅和均匀性有关，而且和光能的传输效率有很大关系。导光管传输效率由输入和输出时的光学扩展量（Optical invariant）来决定，依据热力学第二定律，当光束在通过一些光学系统后，在不考虑散射、漫反射及吸收，光束的导光管保持相同以上，而不会减少。

请继续参见图7，对于光在导光管传播来看，光束的发散角为θ/2且光源以Lambertian发射方式的情况下可对进入光管的光线进行积分，可得

$E=N_0^2\∫\∫\mathrm{dAd}\cos \mathrm{\θd\Ω}---\left(1\right)$

立体角 $\mathrm{d\θ}=\frac{\mathrm{ds}}{r^2}=\frac{r^2\sin \mathrm{\θd\θ}}{r^2}=\sin \mathrm{\θd\θ}$

$E=N_0^2\∫\∫\mathrm{dAd}\cos \mathrm{\θd\Ω}=A\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{1/2}}{\∫}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θd\θd\φ}$

$={\mathrm{\π}A\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{1/2}$

从上式可知，如果在发光面积、数值孔径角一定的情况下，光学扩展量是一定的，如果导光管长度一定，均匀性也确定。当输入导光管时的数值孔径NA=U时，根据反射定律sinθ₁=sinθ₂和锥度θ₃之间关系，受锥度θ₃影响在入射光线一定时法线随之发生变化，当到离出口端最近一次反射时的数值孔径角U2小于入口端U1，也就是如下公式中

减小，同时调整出口端宽度W2和高度H2尺寸使得Etendue（Optical invariant）保持不变。

$E=N_0^2\∫\∫\mathrm{dAd}\cos \mathrm{\θd\Ω}=A\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_{1/2}}{\∫}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θd\θd\φ}$

$={\mathrm{\π}A\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{1/2}$

本发明另一个优点是通过将导光棒输入端尺寸设计成接近1:1，因为通常情况下光线进入导光棒时的光斑形状时圆形或接近圆形，而显示芯片尺寸通常为宽屏16:9或4:3，对这些问题行业内通常是通过调整矩形导光棒整体的尺寸来避免入口端圆形光棒和高度H方向干涉问题。本发明提供的导光管的光学扩展量Etendue（Opticalinvariant）=πAsin²θ_1/2

=π²R²sin²φ_max

其中R为光源光斑大小；φ_max为光线的最大出射角度；W为导光管入口截面宽度，H为方棒截面宽度，如果截面的长宽比为4:3，从而光学扩展量Etendue为

E=π²R²sin²φ_max

=(4H²/3)/πR²

当H=2R时，由E=16/3π≈1.67。可见，经导光棒之后光学扩展量增大了1.67倍，为了保证光能量充分利用，适当调整光管出口端面积，只有这样在导光管之后数值孔径减小的条件下，才能使光能量充分利用，最终光管形状成一锥形。

综上所述，本发明提供的用于数字投影光路的导光管，通过设置入射端面1的宽高比小于出射端面2的宽高比，特别是将入口入射端面1宽高比调整为接近1:1使得整个导光管的形状类似于一个入口尺寸小于出口尺寸的光锥管，不仅解决了现行业所用导光管光能利用低、加工工艺复杂、长度长、均匀性差等问题，而且使整个投影光学系统尺寸在保持光学性能不变的情况下大大减小，使光路结构紧凑，有利于投影系统向高亮度，小体积方向发展。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种用于数字投影光路的导光管，所述导光管的一端为入射端面，另一端为出射端面，所述导光管的内侧形成有反射面，所述入射端面进来的圆形光斑经反射面多次反射后形成矩形光斑从出射端面射出，其特征在于，所述导光管的入射端面和出射端面均为矩形状，所述导光管的入射端面的宽高比小于出射端面的宽高比。

2.如权利要求1所述的用于数字投影光路的导光管，其特征在于，所述导光管的入射端面的宽高比大致为1:1，出射端面的宽高比大致为16:9。

3.如权利要求1所述的用于数字投影光路的导光管，其特征在于，所述导光管的入射端面的宽高比大致为1:1，出射端面的宽高比大致为4:3。

4.如权利要求2或3所述的用于数字投影光路的导光管，其特征在于，所述入射端面进来的圆形光斑位于入射端面的中间且在入射端面的矩形框内。

5.如权利要求1～3任一项所述的用于数字投影光路的导光管，其特征在于，所述导光管为锥形实心光管。

6.如权利要求1～3任一项所述的用于数字投影光路的导光管，其特征在于，所述导光管为锥形空心光管，所述锥形空心光管由多块平面反射镜粘合而成，所述平面反射镜表面镀有高反射薄膜。

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