CN104090454A - 一种投影光学引擎 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种投影光学引擎，包括：水平依次设置的第一转折反光镜、导光棒、第一中继透镜、第二转折反光镜，第一转折反光镜下方设有光源；依次设于第二转折反光镜上方的第二中继透镜、全反射棱镜、数字微镜显示芯片，全反射棱镜的入射面朝向第二转折反光镜倾斜设置，第二中继透镜倾斜设置且倾斜角度与全反射棱镜的入射面配合，第二转折反光镜底端靠近第一中继透镜、顶端朝向全反射棱镜的入射面倾斜设置，数字微镜显示芯片的工作面平行设于全反射棱镜的外侧面且朝向全反射棱镜的全反射面，全反射棱镜的出射面的外侧设有投影镜头。本发明提出的投影光学引擎的功能布局合理，结构紧凑，能够实现高效率的光利用和较高亮度的光输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种投影光学引擎。
背景技术
传统的采用金属卤化物或高压汞灯灯泡的投影机由于受到灯泡的诸如寿命短、高压驱动引致辐射大、开关时间延迟长、功耗大和噪音大等缺陷，其进入家庭的应用受到限制；由于发光二极管具有寿命长、驱动控制无辐射、功耗低、快速响应、色彩组合丰富等技术特点，且发光二极管行业随着照明市场和汽车灯具市场的庞大市场的需求推动而快速发展，尤其发光二极管集成半导体级封装技术的快速进步，其逐步取代投影机传统的金属卤化物或高压汞灯灯泡光源就成为了一种趋势，以发光二极管作为投影机光源的技术日渐成熟，目前来看，采用发光二极管作为光源实现接近一千流明级别光输出的投影机产品，其技术已经成熟，在家庭和个人娱乐领域方面具有巨大的市场潜力。
投影机的市场应用领域，传统上仍然主要集中在办公会议、教育行业以及培训市场等，而将其应用在家庭和个人娱乐领域方面，也要结合这些年来微型投影技术的兴起和发展，微型投影机主要采用了尺寸相对小些的数字微镜显示芯片或反射式硅晶显示芯片，并采用集成封装的发光二极管作为光源，由于投影机结合了光源的长寿命、低功耗、环保低价以及易于控制等特征，集成了最新发展的互联网控制技术、安卓控制和机顶盒模块以及信号解码模块等电子技术，具备了投影机进入家庭和个人娱乐消费领域的潜质。
采用发光二极管作为光源的投影机，技术来说，其输出亮度受到光源发光面积的大小和发光功率的限制，而上述二者又与数字微镜显示芯片的尺寸密切相关，但发光二极管光源面积小输出功率就相对低，投影机的总体输出亮度就不足，若要提高发光二极管的输出功率，发光面积就要大，大到一定程度时，与数字微镜显示芯片的尺寸就不匹配了，这样造成的问题是，发光二极管远离中心部分的发光单元的光要么不能照射到数字微镜显示芯片上而形成照射图像的光，要么能够进入到数字微镜显示芯片上但因为入射角太大不能被收集到投影镜头里而投射出来，这样一来，发光二极管在发光面积的大小及光密度的高低上决定了系统的输出亮度，随着集成封装技术的进步，国内外一些公司专门开发了系列高密度的面发光集成封装的发光二极管模组，并应用在投影机系统里，这些发光二极管模组若要与数字微镜显示芯片很好的匹配，并达到光的高效利用和相对高的输出亮度，仍然需要设计专门的光学准直镜、聚焦和匀光系统以及色彩合成系统，并结合设计匹配的投影镜头来实现；常规而言，若采用复眼镜作为匀光和整形器件，对于相对较大发光面积的发光二极管模组来说，因为光的偏轴量大，光的收集能力有限；但若采用导光棒作为匀光和整形器件，虽可收集较大发光面积的发光二极管模组的光，但要保证绝大部分的光通过整个投影系统，仍然需要要设计合理的照明光路和匹配的投影镜头来实现。
因此，对采用发光二极管作为光源的投影机，采用如何设计一种结构紧凑、光学效率高、成像质量稳定的投影光学引擎是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种结构紧凑、光学效率高、成像质量稳定的投影光学引擎。
本发明采用的技术方案是，设计一种投影光学引擎，包括：水平依次设置的第一转折反光镜、导光棒、第一中继透镜、第二转折反光镜，所述第一转折反光镜下方设有光源，所述第一转折反光镜顶端靠近导光棒、底端朝向光源倾斜设置；依次设于所述第二转折反光镜上方的第二中继透镜、全反射棱镜、数字微镜显示芯片，所述全反射棱镜的入射面朝向第二转折反光镜倾斜设置，所述第二中继透镜倾斜设置且倾斜角度与全反射棱镜的入射面配合，所述第二转折反光镜底端靠近第一中继透镜、顶端朝向全反射棱镜的入射面倾斜设置，所述数字微镜显示芯片的工作面平行设于所述全反射棱镜的外侧面且朝向所述全反射棱镜的全反射面，所述全反射棱镜的出射面的外侧设有投影镜头；光源发出的光经过第一转折反光镜反射进入导光棒、第一中继透镜，由第二转折反光镜反射进入第二中继透镜、全反射棱镜、数字微镜显示芯片后，被数字微镜显示芯片所反射，并将带有图像信号的光折返入全反射棱镜、通过投影镜头被投射出来。
所述光源包括：水平依次设置的红光二极管、第一红光准直镜、第二红光准直镜、反绿色分色片、第一聚光镜、反黄色分色片，配合设于所述反黄色分色片上方的第三聚光镜，以及所述反绿色分色片下方的绿光二极管和反黄色分色片下方的蓝光二极管，向上依次设于蓝光二极管和反黄色分色片之间的第一蓝光准直镜、第二蓝光准直镜、第二聚光镜，向上依次设于绿光二极管和反绿色分色片之间的第一绿光准直镜、第二绿光准直镜；所述第一、二、三聚光镜凸面分别朝向反黄色分色片设置，所述红光二极管和绿光二极管的光轴垂直，绿光二极管和蓝光二极管的光轴平行。
在一实施例中，所述全反射棱镜由直角棱镜和楔角棱镜粘合而成，直角棱镜的斜面和楔角棱镜的斜面为粘接面，所述粘接面之间留有空气间隙；所述数字微镜显示芯片设于全反射棱镜的上方，所述投影镜头水平设于全反射棱镜的出射面的外侧，所述投影镜头与光源位于全反射棱镜的同一侧。
在另一实施例中，所述全反射棱镜由钝角棱镜与直角棱镜粘合而成，所述直角棱镜的长边垂直面与钝角棱镜的斜面为粘接面，所述粘接面之间留有空气间隙；所述数字微镜显示芯片设于全反射棱镜的下方，所述投影镜头垂直设于全反射棱镜的出射面的上方。
所述导光棒为内设矩形通孔的长柱，导光棒的最小长度按照公式L=3* Da/(2*tan(ф))计算，其中L为导光棒的最小长度，Da为矩形通孔的长边尺寸，ф为发光二极管的光通过准直和聚光镜组合系统后在导光棒入光口形成的会聚光斑的最大发散角，矩形通孔的长边与光源的发光面长边尺寸比值为2.82。
所述投影镜头包括：依次水平设置的第一弯月透镜、第二弯月透镜、双胶合透镜组、三胶合透镜组、第一双凸透镜、第三弯月透镜以及设于双胶合透镜组和三胶合透镜组之间的光栏，所述第三弯月透镜靠近所述全反射棱镜；所述第二弯月透镜采用塑胶材料制作，所述第一弯月透镜、双胶合透镜组、三胶合透镜组、第一双凸透镜、第三弯月透镜均采用玻璃材料制作。
所述第二弯月透镜到双胶合透镜的第一透镜中心距与光栏到双胶合透镜的第二透镜中心距相同。
所述双胶合透镜及三胶合透镜的胶合面弯曲方向均背离光栏。
所述第三弯月透镜朝外的一面为凹面，凹面的有效口径外圈为磨砂平面，所述磨砂平面边缘设有倒角，所述第三弯月透镜与投影镜头的镜筒通过一压圈与倒角接触定位。
所述数字微镜显示芯片的显示画面尺寸为0.45英寸，像素间距为0.010mm，短轴方向画面偏移100%，光圈数为2.1。
本发明采用较大发光面积的发光二极管光源模组和导光棒、通过设计独特的准直镜及聚焦镜组件、分色反光镜组件和投影镜头，达到光利用率的较好匹配，实现高效率的光利用和较高亮度的光输出。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、光学引擎的功能布局合理、结构紧凑、空间尺寸小、易于安装和布置散热及风道装置。
2、采用三路空间排布分离的红绿蓝三色发光二极管光源，不同于常规的至少两路光相邻并排布于同一个平面上的方式，三路空间排布分离的方式，由于光学行程对称，三路光的会聚光学几何特征相似，并且易于布置三路独立的散热装置来实现高效率的散热。
3、收集的三路光源的发散角度最大可达150度，通过设计合理的准直镜、聚光镜、导光棒及中继透镜，致使照亮数字微镜显示芯片光的光圈数与投影镜头的光圈数相匹配，能够最大限度的利用光能。
4、投影镜头采用包含有一片塑胶非球面透镜和八片玻璃透镜的前后两组透镜组的组合方式，塑胶非球面透镜位于前组的第二片位置，此位置既利于表面不外露不造成表面划伤，又因为此位置的成像光线相对发散，塑胶非球面透镜的口径相对较大，因受热冲击造成透镜面型变化造成的影响相对较小，保证了成像质量的稳定性。
5、投影镜头采用一片塑胶非球面透镜和八片玻璃透镜的前后两组的组合方式， 玻璃透镜采用了两组胶合透镜组，其中一组为双胶合透镜组件，另一组为三胶合透镜组件，减少了透镜与空气接触的面数，提高了光的利用率。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是光源会聚成一个光斑的光路走向图；
图3是采用反射式全反射棱镜和数字微镜显示芯片的光路走向图；
图4是采用透射式全反射棱镜和数字微镜显示芯片的光路走向图；
图5是导光棒光路走向图；
图6是导光棒的横截面示意图；
图7是投影镜头的结构示意图；
图8是投影镜头的第二弯月透镜、双胶合透镜组、光栏的尺寸关系示意图；
图9是投影镜头的第三弯月透镜与压圈的剖视示意图；
图10是导光棒出光口光斑能量分布设计模拟图；
图11是本实施例模拟计算得出的传递函数曲线和像面变形曲线图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出的投影光学引擎，包括：水平依次设置的第一转折反光镜15、导光棒17、第一中继透镜18、第二转折反光镜16，第一转折反光镜15下方设有光源，第一转折反光镜15顶端靠近导光棒17、底端朝向光源倾斜设置；依次设于第二转折反光镜16上方的第二中继透镜19、全反射棱镜20、数字微镜显示芯片21，全反射棱镜20的入射面朝向第二转折反光镜16倾斜设置，第二中继透镜19倾斜设置且倾斜角度与全反射棱镜20的入射面配合，第二转折反光镜16底端靠近第一中继透镜18、顶端朝向全反射棱镜20的入射面倾斜设置，数字微镜显示芯片21的工作面平行设于全反射棱镜20的外侧面且朝向全反射棱镜20的全反射面，全反射棱镜20的出射面的外侧设有投影镜头22；光源发出的光经过第一转折反光镜15反射进入导光棒17、第一中继透镜18，由第二转折反光镜16反射进入第二中继透镜19、全反射棱镜20、数字微镜显示芯片21后，被数字微镜显示芯片21所反射，并将带有图像信号的光折返入全反射棱镜20、通过投影镜头22被投射出来。第一转折反光镜15的设置是为了改变光路走向，将光源的位置从水平位置排布到第一转折反光镜15下方，减小光学引擎的横向尺寸，使光学引擎的结构更紧凑。
本发明采用三路空间排布分离的红光二极管7、蓝光二极管1以及绿光二极管4作为光源，三路光源的空间排布分离，光学行程空间对称，通过准直镜、聚光镜及分色反光镜合并会聚到导光棒17的进口，三路光的会聚光学几何特征相似。
具体结构是，如图2所示，光源包括：水平依次设置的红光二极管7、第一红光准直镜8、第二红光准直镜9、反绿色分色片14、第一聚光镜11、反黄色分色片13，配合设于反黄色分色片13上方的第三聚光镜12，设于反绿色分色片14下方的绿光二极管4和反黄色分色片13下方的蓝光二极管1，向上依次设于蓝光二极管1和反黄色分色片13之间的第一蓝光准直镜2、第二蓝光准直镜3、第二聚光镜10，向上依次设于绿光二极管4和反绿色分色片14之间的第一绿光准直镜5、第二绿光准直镜6；第一、二、三聚光镜凸面分别朝向反黄色分色片13设置，红光二极管7和绿光二极管4的光轴垂直，绿光二极管4和蓝光二极管1的光轴平行。蓝光二极管1与绿光二极管4沿轴向错开的距离不小于第一蓝光准直镜2和第二蓝光准直镜3的中心厚度之和，以保持各自的独立空间。第一聚光镜11为红光二极管7和绿光二极管4两路光路所共用，蓝光二极管光路的第二聚光镜10为独立的，不与其他两路共用，第三聚光镜12将合并的三路光通过第一转折反光镜15会聚到导光棒17的入光口处。
三路光的准直镜和聚光镜分别由四片透镜构成，其中准直镜分别由两片透镜构成，靠近发光二极管的第一准直镜为高折射率玻璃材质的弯月型的球面透镜、第二准直镜为塑胶材质的弯月型的非球面透镜，三路光的第二准直镜的材质和面型参数特征完全相同。三路光的聚光镜也分别由两片透镜构成，其中第一、二聚光镜为玻璃平凸球面透镜，第三聚光镜为塑胶平凸透镜，且凸面为非球面。反绿色分色片14和反黄色分色片13各自的镀膜特性保证了来自三路光源的最终会聚点合并成白光，并且此会聚点通过第一转折反光镜15的反射落在导光棒17入光口处。第三聚光镜12与导光棒17入光口的中心间隔，满足其间能放置改变光路走向的第一转折反光镜15的要求，以便压缩光学引擎的整体空间尺寸。三路光的发光二极管均为面发光器件，发光面呈长方形分布。
如图5、6所示，导光棒17为内设矩形通孔的长柱，矩形通孔的四个面均为反光面，导光棒17的最小长度按照公式L=3* Da/(2*tan(ф))计算。其中L为导光棒的最小长度，Da为矩形通孔的长边尺寸，ф为发光二极管的光通过准直和聚光镜组合系统后在导光棒17入光口形成的会聚光斑的最大发散角。矩形通孔的长边Da与光源的发光面长边尺寸比值为2.82，准直镜和聚光镜组合系统的垂轴放大率为2.56倍，尺寸比值与垂轴放大率的比值为1.1倍。会聚到导光棒17入射端口的光线，经过导光棒17内矩形通孔的四面反光镜多次反射，在导光棒17出口形成布满端口且能量分布均匀的光斑，光斑的光束发散角相对入射光不会发生改变。如图10所示，通过对光线的模拟，在导光棒17出光口的光斑达到很好的均匀性。
导光棒17出光口的光斑经过第一、第二中继透镜成像在数字微镜显示芯片21上，对数字微镜显示芯片21形成照明，导光棒17出光口的光斑与照亮在数字微镜显示芯片21上的光斑形成共轭关系，第一、二中继透镜形成的垂轴放大倍数与数字微镜显示芯片21的尺寸有关。在本实施例中，数字微镜显示芯片21的显示画面尺寸为0.45英寸，两中继透镜形成的垂轴放大倍数为1.5倍，满足光斑覆盖数字微镜显示芯片21的整个图像显示区域的基本要求，并有10%的光溢出显示区域，不至于因照明系统的偏轴误差而在投影画面上形成黑边。第一、二中继透镜的轴向空间间隔满足在此空间放置第二转折反光镜16的需求，以便压缩整个系统的结构空间尺寸。当然，根据垂轴放大倍数与数字微镜显示芯片21尺寸的关系，中继透镜可由不少于两片的透镜组合而成。
在一实施例中，如图3所示，全反射棱镜20为反射式全反射棱镜，由直角棱镜20a和楔角棱镜20b粘合而成，直角棱镜20a的斜面和楔角棱镜20b的斜面为粘接面，粘接面之间留有空气间隙；数字微镜显示芯片21设于直角棱镜20a的上方，投影镜头22水平设于直角棱镜20a的出射面的外侧。
在另一实施例中，如图4所示，全反射棱镜20为透射式全反射棱镜，由钝角棱镜20d与直角棱镜20c粘合而成，直角棱镜20c的长边垂直面与钝角棱镜20d的斜面为粘接面，粘接面之间留有空气间隙；数字微镜显示芯片21设于钝角棱镜20d的下方，投影镜头22垂直设于直角棱镜20c的出射面的上方。
如图7所示，投影镜头22包括：依次水平设置的第一弯月透镜22a、第二弯月透镜22b、双胶合透镜组、三胶合透镜组、第一双凸透镜22h、第三弯月透镜22i以及设于双胶合透镜组和三胶合透镜组之间的光栏22j，第三弯月透镜22i靠近全反射棱镜20；第二弯月透镜22b采用塑胶材料制作，第一弯月透镜22a、双胶合透镜组、三胶合透镜组、第一双凸透镜22h、第三弯月透镜22i均采用玻璃材料制作。
其中，第一弯月透镜22a的光焦度为-0.031，阿贝数为55.5；第二弯月透镜22b的光焦度为-0.025，阿贝数为56.1；双胶合透镜组内两个透镜22c、22d的光焦度依次为0.03、0.03，阿贝数依次为36.4、60.3；三胶合透镜组内三个透镜22e、22f、22g的光焦度依次为0.0063、0.0063、0.0063，阿贝数分别为70、25.5、70.1；第一双凸透镜22h的光焦度为0.041，阿贝数为60.4；第三弯月透镜22i的光焦度为0.018，阿贝数为25.5。
投影镜头22采用了两组胶合透镜组，减少了透镜与空气接触的面数，提高了光的利用率。如图8所示，第二弯月透镜22b到双胶合透镜的第一透镜22c的中心距LA与光栏22j到双胶合透镜的第二透镜22d的中心距LB相同，其中，中心距LA为第二弯月透镜22b与第一透镜22的相邻表面的中线位置距离，中心距LB为光栏22j到第二透镜22d的相邻表面的中线位置距离。双胶合透镜及三胶合透镜的胶合面弯曲方向均背离光栏22j。
第二弯月透镜22b为非球面透镜，其截面形状为弯月状，其边沿厚度与中心厚度的比值小于2.0，成型加工的工艺性好，易于保证面型精度。第二弯月透镜22b的有效口径与光栏22j的直径的比值大于1.5，这样一来，分布在第二弯月透镜22b上的光能量相对分散，能有效减小因受热冲击对透镜面型变化造成的影响；同时第二弯月透镜22b所处的位置相对密封，其外露在表面而造成的损伤因素得以消除。
如图9所示，第三弯月透镜22i朝外的一面为凹面，凹面的有效口径外圈为磨砂平面，磨砂平面边缘设有倒角，第三弯月透镜22i与投影镜头22的镜筒通过一压圈22n与倒角接触定位。倒角的设置便于减少压圈22n占据投影镜头22与棱镜之间的间隔空间。
数字微镜显示芯片21内部的每个像素都是一个可以控制旋转的微小镜子，入射光以一定的角度入射，当微镜的每个像素单元反射一个角度致使出射光刚好进入投影镜头22时，图像处于打开的状态，通过投影镜头22投射出来，当微镜的每个像素单元反射一个角度致使出射光完全偏离投影镜头22的口径时，图像处于关闭的状态，没有光通过投影镜头22投射出来。全反射带空气间隙的棱镜配合投影镜头22进行光的入射和出射。本实施例中，数字微镜显示芯片21的显示画面尺寸为0.45英寸，像素间距为0.010mm，短轴方向画面偏移100%，光圈数为2.1，在此情况下，如图11所示，模拟计算得出的全视场的传递函数值平均大于50%，画面的相对变形量小于1%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种投影光学引擎，其特征在于包括：水平依次设置的第一转折反光镜、导光棒、第一中继透镜、第二转折反光镜，所述第一转折反光镜下方设有光源，依次设于所述第二转折反光镜上方的第二中继透镜、全反射棱镜、数字微镜显示芯片，所述全反射棱镜的出射面外侧设有投影镜头；
光源发出的光经过第一转折反光镜折射进入导光棒、第一中继透镜，由第二转折反光镜反射进入第二中继透镜、全反射棱镜、数字微镜显示芯片后，被数字微镜显示芯片所反射，并将带有图像信号的光折返入全反射棱镜、通过投影镜头被投射出来。
2.如权利要求1所述的投影光学引擎，其特征在于，所述光源包括：水平依次设置的红光二极管、第一红光准直镜、第二红光准直镜、反绿色分色片、第一聚光镜、反黄色分色片，配合设于所述反黄色分色片上方的第三聚光镜，所述反绿色分色片下方的绿光二极管和反黄色分色片下方的蓝光二极管，向上依次设于蓝光二极管和反黄色分色片之间的第一蓝光准直镜、第二蓝光准直镜、第二聚光镜，向上依次设于绿光二极管和反绿色分色片之间的第一绿光准直镜、第二绿光准直镜；
所述第一、二、三聚光镜凸面分别朝向反黄色分色片设置，所述红光二极管和绿光二极管的光轴垂直，绿光二极管和蓝光二极管的光轴平行。
3.如权利要求2所述的投影光学引擎，其特征在于，所述全反射棱镜由直角棱镜和楔角棱镜粘合而成，直角棱镜的斜面和楔角棱镜的斜面为粘接面，所述粘接面之间留有空气间隙；所述数字微镜显示芯片设于全反射棱镜的上方，所述投影镜头水平设于全反射棱镜的出射面的外侧，所述投影镜头与光源位于全反射棱镜的同一侧。
4.如权利要求2所述的投影光学引擎，其特征在于，所述全反射棱镜由钝角棱镜与直角棱镜粘合而成，所述直角棱镜的长边垂直面与钝角棱镜的斜面为粘接面，所述粘接面之间留有空气间隙；所述数字微镜显示芯片设于全反射棱镜的下方，所述投影镜头垂直设于全反射棱镜的出射面的上方。
5.如权利要求1所述的投影光学引擎，其特征在于，所述导光棒为内设矩形通孔的长柱，导光棒的最小长度按照公式L=3* Da/(2*tan(ф))计算，其中L为导光棒的最小长度，Da为矩形通孔的长边尺寸，ф为发光二极管的光通过准直和聚光镜组合系统后在导光棒入光口形成的会聚光斑的最大发散角，矩形通孔的长边与光源的发光面长边尺寸比值为2.82。
6.如权利要求1所述的投影光学引擎，其特征在于，所述投影镜头包括：依次水平设置的第一弯月透镜、第二弯月透镜、双胶合透镜组、三胶合透镜组、第一双凸透镜、第三弯月透镜以及设于双胶合透镜组和三胶合透镜组之间的光栏，所述第三弯月透镜靠近所述全反射棱镜；
所述第二弯月透镜采用塑胶材料制作，所述第一弯月透镜、双胶合透镜组、三胶合透镜组、第一双凸透镜、第三弯月透镜均采用玻璃材料制作。
7.如权利要求6所述的投影光学引擎，其特征在于，所述第二弯月透镜到双胶合透镜的第一透镜的中心距与光栏到双胶合透镜的第二透镜的中心距相等。
8.如权利要求7所述的投影光学引擎，其特征在于，所述双胶合透镜及三胶合透镜的胶合面的弯曲方向均背离光栏。
9.如权利要求8所述的投影光学引擎，其特征在于，所述第三弯月透镜朝外的一面为凹面，凹面的有效口径外圈为磨砂平面，所述磨砂平面边缘设有倒角，所述第三弯月透镜与投影镜头的镜筒通过一压圈与倒角接触定位。
10.如权利要求2所述的投影光学引擎，其特征在于，所述数字微镜显示芯片的显示画面尺寸为0.45英寸，像素间距为0.010mm，短轴方向画面偏移100%，光圈数为2.1；第一、二中继透镜形成的垂轴放大倍数为1.5倍。
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