CN103217798A - 基于非远心光路的数字投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非远心光路的数字投影装置，包括数字微镜晶片、投影镜头、导光管、第一反射镜和第二反射镜，所述数字微镜晶片和投影镜头相对设置，所述导光管和第一反射镜、第二反射镜按一定入射角度设置，光线从导光管出射后经第一反射镜和第二反射镜反射后投射在数字微镜晶片上，再由数字微镜晶片反射后经过投影镜头在投影屏幕上成像，其中，所述第一反射镜为平面反射镜，所述第二反射镜为双曲面反射镜。本发明提供的基于非远心光路的数字投影装置，通过采用双曲面反射镜为第二反射镜，从而提高光学利用率、对比度以及均匀性，有利于投影装置实现高亮度、微型化。

Description

基于非远心光路的数字投影装置

技术领域

本发明涉及一种数字投影装置，尤其涉及一种基于非远心光路的数字投影装置。 

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。DLP的原理是将光源发射出的光经过一段光学处理后照射到数字微镜晶片（DMD）芯片上，由DMD反射并经过投影镜头在投影屏幕上成像。 

在现代DLP光学投影中，单片式投影显示系统分为远心和非远心两种结构。远心结构中，照明系统的出瞳（投影物镜的入瞳）位于DMD器件表面无穷远或者足够远的位置上，照射到每一个DMD小反射镜上的主光线相互平行。如图1所示，数字微镜晶片1和投影镜头2相对设置，导光管3和第一反射镜4、第二反射镜6呈一定倾斜角度设置，光线从导光管3出射后经第一反射镜4和第二反射镜6反射后投射在数字微镜晶片1上，再由数字微镜晶片1反射后经过投影镜头2在投影屏幕上成像，系统中采用全反射棱镜（TIR）作为第二反射镜区分照明光路和信号光路。 

远心照明光学结构的一个主要缺点是引入TIR棱镜不仅增加了系统的复杂度和成本，棱镜各表面的反射也会降低系统光能量的利用率。而且照明光束、亮态光束、暗态光束以及平面反射光束之间间隔小，无用的杂散光容易进入投影物镜引起系统对比度下降。为提高对比度，通常需要牺牲一定的能量利用率。另外系统采用偏心设计时会引起投影物镜口径的增大，导致整体系统体积增大。 

非远心结构中，照明光路的出瞳位于靠近DMD芯片表面的位置上，同样要求投影物镜入瞳的位置与照明系统的出瞳相匹配。第二反射镜6的设计好坏直接影响到最终整机的光学利用率、对比度以及均匀性等投影指标。现有非远心结构中第二反射镜6一般采用球面反射或椭圆面反射，而采用这两种方式存在弊端是光学像差较大、畸变严重、其元件本身体积较大。较大畸变会造成最终到达DMD芯片上面光斑形状出现扇形。为了解决这种问题，行业内的通常做法是将整体光斑面积增大，但这又会造成较大光能量损失。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于非远心光路的数字投影装置，能够提高光学利用率、对比度以及均匀性，有利于投影装置实现高亮度、微型化。 

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基于非远心光路的数字投影装置，包括数字微镜晶片、投影镜头、导光管、第一反射镜和第二反射镜，所述数字微镜晶片和投影镜头相对设置，所述导光管和第一反射镜、第二反射镜按一定入射角度设置，光线从导光管入射后经第一反射镜和第二反射镜反射后投射在数字微镜晶片上，再由数字微镜晶片反射后经过投影镜头在投影屏幕上成像，其中，所述第一反射镜为平面反射镜，所述第二反射镜为双曲面反射镜。 

上述的基于非远心光路的数字投影装置，其中，所述双曲面反射镜的曲面方程为： 

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)}{c}^2{r}^2};$

k=-e²或者 $k=(1-e^2)*\frac{a^2}{b^2};$

k为曲面的光锥系数，e为离心率，c为高次项系数，a、b为双曲线的半实轴，r为曲率半径。 

上述的基于非远心光路的数字投影装置，其中，所述导光管后还设有中继透镜。 

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于非远心光路的数字投影装置，通过采用双曲面反射镜为第二反射镜，从而提高光学利用率、对比度以及均匀性，有利于投影装置实现高亮度、微型化。 

附图说明

图1为现有基于远心光路的数字投影装置结构示意图； 

图2为本发明基于非远心光路的数字投影装置结构示意图； 

图3为本发明基于非远心光路的数字投影装置中焦距和数值孔径之间关系示意图； 

图4为本发明基于非远心光路的数字投影装置结构中焦距和焦距之间关系示意图。 

图中： 

1数字微镜晶片            2投影镜头             3导光管 

4第一反射镜              5中继透镜             6第二反射镜 

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2为本发明基于非远心光路的数字投影装置结构示意图。 

请参见图2，本发明提供的基于非远心光路的数字投影装置包括数字微镜晶片1、投影镜头2、导光管3、第一反射镜4和第二反射镜6，所述数字微镜晶片1和投影镜头2相对设置，所述导光管3和第一反射镜4、第二反射镜6按一定入射角度设置，比如在XYZ三维空间，第二反射镜6在XY面呈0°放置，第二反射镜6在YZ面呈6.979°放置，XZ按5.596°放置，使得光线从导光管3出射后经第一反射镜4和第二反射镜6反射后投射在数字微镜晶片1上，再由数字微镜晶片1反射后经过投影镜头2在投影屏幕上成像，其中，所述第一反射镜4为平面反射镜，所述第二反射镜6为双曲面反射镜。所述导光管3后还可设有中继透镜5。所述双曲面反射镜最好采用压注方式一次成型，具有加工周期短、成本低、良品率高等优点。 

理想光学系统轴向放大率中像平面的位置是物平面位置的函数，函数关系式为高斯公式和牛顿公式，当物平面沿光轴作一微量的移动dx或者dl时，其像平面就移动一个相应的距离dx′或dl′。放大率由

求得 

系统焦距ltanU=h=l′tanU′ 

(x+f)tanU=(x′+f′)tanU′ 

x和x′之间关系 

x=-f(y/y′) 

x′=-f′(y′/y) 

fytanU=f′y′tanU′ 

焦距和数值孔径之间的关系，其中U为物方孔径角，物距用x表示，像距用x’,正负号是以相应焦点为原点来确定的，如果由F到A或F’到A’的传播方向与光线 传播方向一致，则为正，否则为负。如图3所示，焦距和焦距之间关系如图4所示。当在系统焦距、放大率和结构确定之后根据整个照明系统要达到的指标从而通过相应光学设计软件进行计算、优化和分析。 

因圆锥系数k=-e²,或者

其中e为离心率，因为圆锥曲线之离心率与轴长关系： 

其中c为高次项系数a为双曲线的半实轴，k为曲面光锥系数。 

因此，双曲面反射镜的优选非球面的基本方程为：

最终设计得出曲率半径和曲面光锥系数。 

本发明提供的基于非远心光路的数字投影装置采用双曲面反射镜的设计方式，其像差相对常规采用球面或椭圆面大大减小。通常畸变产生的原因主要有光阑位置的差和角倍率引起。其畸变为： 

$q^{\′}=\frac{{\mathrm{\δy}}_z^{\′}}{y^{\′}}\×100\%=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}-\mathrm{\β}}{\mathrm{\β}}\×100\%$

其中

为高斯像面高度，y′为理想像高，

为最大视场的实际垂轴放大倍率；β为光学系统理想垂轴放大倍率。因为畸变仅与物高y或视场角有关系，随着y的改变而改变，当最大视场处的畸变校正到零时，在0.707视场处的最大变形量小于5%，改善了行业内采用其他方式而形成照明光斑在照射到DMD上面时存在扇形导致光能量有较大损失的问题。且本发明双曲面反射镜通过理论和实际装配发现对加工和装误差要求较低，相对行业内采用球面和其他方式实现更能保证在量产时的良率和稳定性。 

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 (3)

1.一种基于非远心光路的数字投影装置，包括数字微镜晶片（1）、投影镜头（2)、导光管（3）、第一反射镜（4）和第二反射镜（6），所述数字微镜晶片（1）和投影镜头（2)相对设置，所述导光管（3）和第一反射镜（4）、第二反射镜（6）按一定入射角度设置，光线从导光管（3）出射后经第一反射镜（4）和第二反射镜（6）反射后投射在数字微镜晶片（1）上，再由数字微镜晶片（1）反射后经过投影镜头（2)在投影屏幕上成像，其特征在于，所述第一反射镜（4）为平面反射镜，所述第二反射镜（6）为双曲面反射镜。

2.如权利要求1所述的基于非远心光路的数字投影装置，其特征在于，所述双曲面反射镜的曲面方程为：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)}{c}^2{r}^2};$

k=-e²或者 $k=(1-e^2)*\frac{a^2}{b^2};$

k为曲面的光锥系数，e为离心率，c为高次项系数，a、b为双曲线的半实轴，r为曲率半径。

3.如权利要求1或2所述的基于非远心光路的数字投影装置，其特征在于，所述导光管（3）后还设有中继透镜（5）。

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