CN103529629B

CN103529629B - Dlp微型投影机

Info

Publication number: CN103529629B
Application number: CN201210315238.4A
Authority: CN
Inventors: 赵远; 高志强; 杨伟梁
Original assignee: IVIEW Ltd
Current assignee: Vision technology (Shenzhen) Co., Ltd.
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: CN103529629A

Abstract

本发明公开了一种DLP微型投影机。该DLP微型投影机包括：沿光路顺次设置的供光装置、转换与导向装置、照明光学系统、DMD光调制器和投影镜头系统；供光装置包括：光源和光源准直系统；转换与导向装置包括：复眼透镜或光棒；照明光学系统包括：自由曲面透镜和直角棱镜，直角棱镜的一直角边与DMD光调制器的平面平行并相互靠近，另一个直角边与投影镜头系统的光轴垂直。该DLP微型投影机结构简单合理，采用自由曲面镜头取代现有技术中的使用胶合棱镜来对DMD照明光源进行补偿的方法，解决了进一步减小DLP微型投影机高度受到胶合棱镜的胶合尺寸限制的问题，使得DLP微型投影机体积小巧便携。

Description

DLP微型投影机

技术领域

本发明涉及投影机领域，特别涉及一种DLP微型投影机。

背景技术

DMD（DigitalMicromirrorDevice）是美国TI公司开发的光线调制器件，其透过控制反射率极高的微型反射镜阵列，配合照明光学系统和投影光学系统能投射出由三原色（RGB）构成的画面，使用此器件的投影机一般称为DLP（DigitalLightProjector）投影机。该技术比使用液晶技术的投影机在流明亮度、视频影像显示及对比度方面都显示出很大的优越性。

如图1所示，目前，以DLP为基础的DLP微型投影机包括：信号接收及处理系统和DLP投影光机模组，其中，DLP投影光机模组又包括：光源11、照明光学系统、DMD光调制器12及投影光学系统13。照明光学系统包括：凸透镜镜头14、楔形补偿棱镜15和直角棱镜16，其中，凸透镜镜头14和楔形补偿棱镜15共同构成RTIR棱镜系统。

照明光线先经过RTIR棱镜的凸透镜镜头14和楔形补偿棱镜15，然后进入45度的直角棱镜16，斜入射到DMD光调制器12的反射镜面上。在DMD光调制器12是开的状态时，经过DMD光调制器12的反射镜面反射之后，光线正入射到直角棱镜16靠近DMD的直角边，到达斜边时大于全反射临界角，所以被反射到投影光学系统13的投影镜头中，实现亮点显示。当DMD光调制器12处于关时，入射DMD光线经反射后斜入射到直角棱镜16的靠近DMD的直角边，光线向另一个直角边传播，当到达另一个直角边时，光线对这一直角边的入射角大于全反射临界角，不能入射到投影镜头中，从而实现暗点显示。这样就可以实现DLP的投影显示。

在使用这个DLP投影光学设计时，RTIR棱镜系统是一个重要部件，楔形补偿棱镜15和直角棱镜16相对的两个面不仅需要互相靠近，而且需要相互平行。一般的实现RTIR棱镜的方法是使用粘结剂把楔形补偿棱镜15和直角棱镜16进行胶合，使得楔形补偿棱镜15和直角棱镜16的相对面形成无效胶合面区域和光线传播面区域，无效胶合面区域中楔形补偿棱镜15和直角棱镜16的相对面之间紧密胶合，没有空气间隙，不能用于光线传播；而光线传播面区域中楔形补偿棱镜15和直角棱镜16的相对面之间留有空气间隙，为光线传播区域。

DLP微型投影机的手持形式需要在保持具有高的光输出的条件下实现轻便小尺寸，为了实现合适的尺寸除了对投影光路的设计要简洁高效外，对于照明光路中的光学部件也需要进行详细设计，其中，DLP微型投影机照明光学系统的楔形补偿棱镜15和直角棱镜16的相对面存在无效胶合面区域，这样的设计变成了进一步的减小DLP微型投影机的高度，减少占用空间，以便手机等便携式设备形式应用的障碍。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术中缺陷，提供了一种结构简单合理，体积小巧便携，生产成本低，投影性能可靠的DLP微型投影机。

为达到上述目的，根据本发明提供了一种DLP微型投影机，包括：沿光路顺次设置的供光装置、转换与导向装置、照明光学系统、DMD光调制器和投影镜头系统；供光装置包括：光源和光源准直系统；转换与导向装置包括：复眼透镜或光棒；照明光学系统包括：自由曲面透镜和直角棱镜，直角棱镜的一直角边与DMD光调制器的平面平行并相互靠近，另一个直角边与投影镜头系统的光轴垂直。

上述技术方案中，自由曲面透镜的两个曲面可以由下式描述：

Z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + A_{1} X + A_{2} Y

+ A_{3} X^{2} + A_{4} XY + A_{5} Y^{2} + A_{6} X^{3} + A_{7} X^{2} Y + A_{8} X Y^{2} + A_{9} Y^{3}

其中，Z为曲面高度，X、Y分别为曲面高度在光轴的投影坐标，A1到A9为位置参数，C和k为曲率参数。

上述技术方案中，直角棱镜与DMD光调制器的平面平行的直角边的间距为0.01毫米-10毫米。

上述技术方案中，光源包括：蓝色LED光源、红色LED光源和绿色LED光源，光源准直系统包括：收集及准直透镜系统和光束合成系统，其中，收集及准直透镜系统包括：沿光路顺次设置在光源后的收集透镜和准直透镜；光束合成系统包括：第一二向色镜片和第二二向色镜片，第一二向色镜片透过蓝色LED光源发出的光而反射红色LED光源发出的光，第二二向色镜片反射蓝色LED光源和红色LED光源发出的光而透过绿色LED光源发出的光。

上述技术方案中，光源包括：蓝色LED光源和红绿色LED光源；光源准直系统包括：收集及准直透镜系统和光束合成系统，其中，收集及准直透镜系统包括：沿光路顺次设置在光源后的收集透镜和准直透镜；光束合成系统包括：第三二向色镜片和第四二向色镜片，第三二向色镜片为红光反射镜；第四二向色镜片为绿光反射镜，第三二向色镜片和第四二向色镜片均能透射蓝光。

上述技术方案中，光源为三基色封装在一起的LED光源；光源准直系统包括：收集及准直透镜系统和光束合成系统，其中，收集及准直透镜系统包括：沿光路顺次设置在LED光源后的收集透镜和准直透镜，光束合成系统包括：第五二向色镜片、第六二向色镜片和第七二向色镜片，分别为红光反射镜、绿光反射镜和蓝光反射镜，第五二向色镜片能够透射绿光和蓝光，第六二向色镜片能够透射红光和蓝光，第七二向色镜片能够透射红光和绿光。

上述技术方案中，转换与导向装置还包括：匹配透镜和/或反射镜。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该DLP微型投影机结构简单合理，采用自由曲面镜头取代现有技术中的使用胶合棱镜来对DMD照明光源进行补偿的方法，解决了进一步减小DLP微型投影机高度受到胶合棱镜的胶合尺寸限制的问题，使得DLP微型投影机体积小巧便携；同时，减少了RTIR棱镜系统中凸透镜镜头14的使用，简化了结构，降低了生产成本。

附图说明

图1是现有DLP微型投影机的示意图；

图2是本发明的DLP微型投影机的第一实施例示意图；

图3是本发明的DLP微型投影机的第二实施例示意图；

图4是本发明的DLP微型投影机的第三实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。需要理解的是，本发明的以下实施方式中所提及的“上”、“下”、“左”、“右”、“正面”和“反面”均以各图所示的方向为基准，这些用来限制方向的词语仅仅是为了便于说明，并不代表对本发明具体技术方案的限制。

本发明的DLP微型投影机采用自由曲面镜头取代现有技术中的使用胶合棱镜来对DMD照明光源进行补偿的方法，解决了进一步减小DLP微型投影机高度受到胶合棱镜的胶合尺寸限制的问题；同时，减少了RTIR棱镜系统中凸透镜镜头14的使用，简化了结构，降低了生产成本。

该DLP微型投影机的具体结构包括：沿光路顺次设置的供光装置、转换与导向装置、照明光学系统、DMD光调制器和投影镜头系统。其中，供光装置用于提供光源。转换与导向装置用于接受来自供光装置的光并将光斑形状转换为与DMD有效显示区域相同的形状。投影镜头系统用于接受经过DMD光调制器调制的光并投影成像。

如图2所示，在实施例一中，供光装置包括：光源和光源准直系统，光源选用LED芯片光源，该LED光源为混合光源，包括：蓝色LED光源21、红色LED光源22和绿色LED光源23，蓝色LED光源21、红色LED光源22和绿色LED光源23为单独封装的LED芯片，全彩显示的三基色光分别从每个芯片发出。

光源准直系统的作用是把投影机光源发出的光收集，使得成为平行光线并向一个方向传播，包括：收集及准直透镜系统和光束合成系统，其中，收集及准直透镜系统包括：沿光路顺次设置在每个LED光源后的收集透镜24和准直透镜25，收集透镜24和准直透镜25组合一起实现把从平面的LED芯片发射的光准直成为发散度小于二十五度的近似平行光。光束合成系统包括：二向色镜片26、27，二向色镜片26可以透过蓝色LED光源21发出的光而反射红色LED光源22发出的光；二向色镜片27为一片可以反射蓝色LED光源21和红色LED光源22发出的光而透过绿色LED光源23发出的光。

转换与导向装置包括：沿光路顺次设置的复眼透镜28和匹配透镜29，用于接受来自供光装置的光并将光斑形状转换为与DMD光调制器有效显示区域相同的形状。复眼透镜还可以替代为光棒。优选的，转换与导向装置还可以在复眼透镜或光棒后面设置反射镜。

照明光学系统包括：自由曲面透镜30和直角棱镜31，自由曲面透镜30的两个曲面可以由下式描述：

Z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + A_{1} X + A_{2} Y

+ A_{3} X^{2} + A_{4} XY + A_{5} Y^{2} + A_{6} X^{3} + A_{7} X^{2} Y + A_{8} X Y^{2} + A_{9} Y^{3}

其中，Z为曲面高度；X、Y分别为曲面高度在光轴的投影坐标，二者的取值范围均为-50mm到50mm，优选的取值范围均为-10mm到10mm；A1到A9为位置参数，C和k为曲率参数，各参数的具体设置以满足照明光学设计为准，优选的参数A1到A8可以设置为0以减小曲线的复杂性，利于加工。

直角棱镜31的一直角边与DMD光调制器平面平行并相互靠近，其之间的间距可以为0.01毫米到10毫米，优选的间距为0.05毫米到1毫米。直角棱镜31的另一个直角边与投影镜头系统的光轴垂直。

投影镜头系统33采用远心光路设计以增大投影镜头的光学孔径投影镜头。

从蓝色LED光源21、红色LED光源22和绿色LED光源23发出的光经过收集透镜24和准直透镜25的收集准直，入射到二向色镜片26、27组成的光束合成系统后进入复眼透镜28，从复眼透镜28出射的光束形状将与DMD光调制器32的有效区域形状相似，光束经过光路中的匹配透镜29后，入射到自由曲面透镜30上，从自由曲面透镜30出射的光束入射到直角棱镜31后进入DMD光调制器32，当DMD光调制器32镜片为开时，入射光线从DMD光调制器32反射的光照射到直角棱镜31的斜边产生全反射，而进入投影镜头系统33中实现亮点显示；当DMD光调制器32镜片为关时，光线不能进入投影镜头系统33，实现暗点显示。这样，通过DMD光调制器32的调制就会在投影屏幕上产生图像。

如图3所示，实施例二的DLP微型投影机供光装置和转换与导向装置与实施例一中不同，具体结构为：

供光装置包括：光源和光源准直系统，光源包括：蓝色LED光源34和红绿色LED光源35，蓝色LED光源34为单独封装的LED芯片，红绿色LED光源35为双LED芯片封装。

光源准直系统的作用是把投影机光源发出的光收集，使得成为平行光线并向一个方向传播，包括：收集及准直透镜系统和光束合成系统，其中，收集及准直透镜系统包括：沿光路顺次设置在每个LED光源后的收集透镜36和准直透镜37，收集透镜36和准直透镜37组合一起实现把从平面的LED芯片发射的光准直成为发散度小于二十五度的近似平行光。光束合成系统包括：二向色镜片38、39，二向色镜片38为红光反射镜；二向色镜片39为绿光反射镜，二向色镜片38、39同时能够透射蓝光。

转换与导向装置包括：沿光路顺次设置的复眼透镜40、匹配透镜41和反射镜42，用于接受来自供光装置的光并将光斑形状转换为与DMD光调制器有效显示区域相同的形状。复眼透镜还可以替代为光棒。

从蓝色LED光源34发出的光经过收集透镜36和准直透镜37的收集准直，透射过二向色镜片38、39组成的光束合成系统后进入复眼透镜40，从红绿色LED光源35发出的两种颜色LED光可以分别被二向色镜片38、39反射也进入复眼透镜40。从复眼透镜40出射的光束形状将与DMD光调制器的有效区域形状相似，光束经过光路中的匹配透镜41后，入射到反射镜42上，反射镜42把入射光束投射到自由曲面透镜43上，从自由曲面透镜43出射的光束入射到直角棱镜44后进入DMD光调制器45，当DMD光调制器45为开时，入射光线从DMD反射的光照射到直角棱镜的斜边产生全反射，而进入投影镜头系统46中实现亮点显示；当DMD光调制器为关时，光线不能进入投影镜头系统，实现暗点显示。通过DMD光调制器的调制就会在投影屏幕上产生图像。

如图4所示，实施例三的DLP微型投影机供光装置与实施例二中不同，具体结构为：

供光装置包括：光源和光源准直系统，其中，光源为三基色封装在一起的LED光源47。

光源准直系统的作用是把投影机光源发出的光收集，使得成为平行光线并向一个方向传播，包括：收集及准直透镜系统和光束合成系统，其中，收集及准直透镜系统包括：沿光路顺次设置在LED光源后的收集透镜48和准直透镜49，收集透镜48和准直透镜49组合一起实现把从平面的LED芯片发射的光准直成为发散度小于二十五度的近似平行光。光束合成系统包括：二向色镜片50、51和52，二向色镜片50、51和52分别为红光反射镜、绿光反射镜和蓝光反射镜，二向色镜片50能够透射绿光和蓝光，二向色镜片51能够透射红光和蓝光，二向色镜片52能够透射红光和绿光。

从LED光源47发出的三种颜色的光经过收集透镜48和准直透镜49的收集准直，经过过二向色镜片50、51和52组成的光束合成系统后进入复眼透镜53。从复眼透镜53出射的光束形状将与DMD光调制器的有效区域形状相似，光束经过光路中的匹配透镜54后，入射到反射镜55上，反射镜55把入射光束投射到自由曲面透镜56上，从自由曲面透镜56出射的光束入射到直角棱镜57后进入DMD光调制器58，当DMD光调制器58为开时，入射光线从DMD反射的光照射到直角棱镜的斜边产生全反射，而进入投影镜头系统59中实现亮点显示；当DMD光调制器58为关时，光线不能进入投影透镜系统59，实现暗点显示。通过DMD光调制器58的调制就会在投影屏幕上产生图像。

该DLP微型投影机结构简单合理，采用自由曲面镜头取代现有技术中的使用胶合棱镜来对DMD照明光源进行补偿的方法，解决了进一步减小DLP微型投影机高度受到胶合棱镜的胶合尺寸限制的问题，使得DLP微型投影机体积小巧便携；同时，减少了RTIR棱镜系统中凸透镜镜头14的使用，简化了结构，降低了生产成本。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种DLP微型投影机，其特征在于，包括：沿光路顺次设置的供光装置、转换与导向装置、照明光学系统、DMD光调制器和投影镜头系统；所述供光装置包括：光源和光源准直系统；所述转换与导向装置包括：复眼透镜或光棒；所述照明光学系统包括：自由曲面透镜和直角棱镜，所述直角棱镜的一直角边与所述DMD光调制器的平面平行并相互靠近，另一个直角边与所述投影镜头系统的光轴垂直；照明光束经自由曲面透镜引导入射到直角棱镜再入射到DMD光调制器。

2.根据权利要求1所述的DLP微型投影机，其特征在于：所述自由曲面透镜的两个曲面可以由下式描述：

\begin{matrix} Z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + A_{1} X + A_{2} Y \\ + A_{3} X^{2} + A_{4} XY + A_{5} Y^{2} + A_{6} X^{3} + A_{7} X^{2} Y + A_{8} {XY}^{2} + A_{9} Y^{3} \end{matrix}

3.根据权利要求1所述的DLP微型投影机，其特征在于：所述直角棱镜与DMD光调制器的平面平行的直角边的间距为0.01毫米-10毫米。

4.根据权利要求1所述的DLP微型投影机，其特征在于：所述光源包括：蓝色LED光源、红色LED光源和绿色LED光源，所述光源准直系统包括：收集及准直透镜系统和光束合成系统，其中，所述收集及准直透镜系统包括：沿光路顺次设置在所述光源后的收集透镜和准直透镜；所述光束合成系统包括：第一二向色镜片和第二二向色镜片，所述第一二向色镜片透过蓝色LED光源发出的光而反射红色LED光源发出的光，所述第二二向色镜片反射蓝色LED光源和红色LED光源发出的光而透过绿色LED光源发出的光。

5.根据权利要求1所述的DLP微型投影机，其特征在于：所述光源包括：蓝色LED光源和红绿色LED光源；所述光源准直系统包括：收集及准直透镜系统和光束合成系统，其中，所述收集及准直透镜系统包括：沿光路顺次设置在所述光源后的收集透镜和准直透镜；所述光束合成系统包括：第三二向色镜片和第四二向色镜片，所述第三二向色镜片为红光反射镜；所述第四二向色镜片为绿光反射镜，所述第三二向色镜片和第四二向色镜片均能透射蓝光。

6.根据权利要求1所述的DLP微型投影机，其特征在于：所述光源为三基色封装在一起的LED光源；所述光源准直系统包括：收集及准直透镜系统和光束合成系统，其中，收集及准直透镜系统包括：沿光路顺次设置在LED光源后的收集透镜和准直透镜，所述光束合成系统包括：第五二向色镜片、第六二向色镜片和第七二向色镜片，分别为红光反射镜、绿光反射镜和蓝光反射镜，所述第五二向色镜片能够透射绿光和蓝光，所述第六二向色镜片能够透射红光和蓝光，所述第七二向色镜片能够透射红光和绿光。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的DLP微型投影机，其特征在于：所述转换与导向装置还包括：匹配透镜和/或反射镜。