CN108459456A - 一种应用于激光投影装置中的照明组件及激光投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于激光投影装置中的照明组件，包括有：沿光导管出射至光阀的光路上依次设置的第一球面透镜、第二球面透镜、非球面透镜以及TIR棱镜；第一球面透镜的入光面为凹面，第一球面透镜的出光面为凸面；第二球面透镜的入光面与出光面均为凸面，非球面透镜的入光面为凸面；第一球面透镜的屈光度φ1为正，且满足：17D≤φ1≤56D；第二球面透镜的屈光度φ2为正，且满足：24.5D≤φ2≤33.5D。使得照明光路中光束的折射角度会增大，光路的横向传播距离可以缩短，该照明组件的横向尺寸可以大幅缩小。

Description

一种应用于激光投影装置中的照明组件及激光投影装置

技术领域

本发明涉及投影技术领域，尤其涉及一种应用于激光投影装置中的照明组件及激光投影装置。

背景技术

投影装置是一种可以将图像或视频投射到幕布上的设备，广泛应用于家庭、办公室、学校和娱乐场所。作为一种新兴的投影显示技术，激光投影产品相对于LED投影产品具有更高的亮度和寿命。但目前激光投影机普遍存在体积大、价格高的问题，严重影响了激光影院的发展。

如图1、2所示，为现有技术在设计照明系统时所采用的投影装置中的照明组件的结构示意图，现有技术一般采用4片球面透镜、2片平面反射镜、TIR的架构模式，即4片球面透镜+2片平面反射镜+TIR的架构模式，其中4片球面透镜分别为弯月球面透镜、凸球面透镜、凸球面透镜、弯月透镜，由于镜片数量多，不仅导致镜片的整体成本增加，还会致使照明组件的横向尺寸较大。此外，图1所示的激光投影装置中的照明组件的构架通过引入两片平面反射镜，虽然这两片平面反射镜的折转的方式可以保证了照明组件的角度关系，但大大增加了照明组件的纵向高度。

由此可见，现有技术中投影装置的照明组件不仅纵向尺寸和横向尺寸都较大，而且采用的部件较多，从而导致成本也比较高昂。因此现有技术中缺少一种在保证系统性能的同时兼顾小型化以及低成本的照明组件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于激光投影装置中的照明组件，以解决上述背景技术中提出激光投影装置中的照明组件体积大、成本高的缺陷。

为实现上述目的，本发明提出了一种应用于激光投影装置中的照明组件，包括：沿光导管出射至光阀的光路上依次设置的第一球面透镜、第二球面透镜、非球面透镜以及TIR棱镜；

上述第一球面透镜的入光面为凹面，上述第一球面透镜的出光面为凸面；

上述第二球面透镜的入光面与出光面均为凸面，上述非球面透镜的入光面为凸面；

其中，第一球面透镜的屈光度φ1为正，且满足：17D≤φ1≤56D；第二球面透镜的屈光度φ2为正，且满足：24.5D≤φ2≤33.5D。

优选的，第一球面透镜的厚度H1满足：7.2mm≤H1≤12.6mm；第二球面透镜的厚度H2满足：7.2mm≤H2≤12.6mm。

优选的，上述非球面透镜的出光面为平面，且该非球面透镜的出光面与上述TIR棱镜的入光面平行；上述非球面透镜的屈光度φ3为正，且满足：22.5D≤φ3≤29.5D。

优选的，上述非球面透镜的出光面与上述TIR棱镜入光面的间距L1满足：0mm≤L1≤3.6mm。

优选的，上述照明组件还包括平面反射镜，设置于第二球面透镜与非球面透镜之间；

上述平面反射镜对上述第二球面透镜出射的光束折转θ后出射至非球面透镜，85°≤θ≤125°。

优选的，在上述第二球面透镜与上述平面反射镜之间还设置有挡圈；该挡圈包括：通光孔，用于将第二球面透镜出射光束的中心部分透射至平面反射镜；以及，遮挡部，用于将第二球面透镜出射光束的边缘部分反射或吸收。

优选的，上述挡圈与上述第二球面透镜的间距L2满足：0.3mm≤L2≤0.9mm。

优选的，所上述通光孔为椭圆；该椭圆的长轴方向与上述光导管出光口的长边方向对应，该椭圆的短轴方向与上述光导管出光口的短边方向对应。

本发明还提供了一种激光投影装置，包括激光光源、光导管、上述任一项中的照明组件、光阀以及镜头；上述光导管将激光光源出射的光束匀化后出射至上述照明组件；上述光阀将照明组件出射的光束调制后出射至上述镜头以进行成像。

优选的，上述光阀的垂轴方向与上述镜头的光轴方向平行；上述光导管的上表面与上述光阀所在平面的夹角为β，18°≤β≤30°。

本发明提供的应用于激光投影装置中的照明组件，包括有：沿光导管出射至光阀的光路上依次设置的第一球面透镜、第二球面透镜、非球面透镜以及TIR棱镜；第一球面透镜的入光面为凹面，第一球面透镜的出光面为凸面；第二球面透镜的入光面与出光面均为凸面，非球面透镜的入光面为凸面；第一球面透镜的屈光度φ1为正，且满足：17D≤φ1≤56D；第二球面透镜的屈光度φ2为正，且满足：24.5D≤φ2≤33.5D。这样，本发明的照明组件架构以及在保证第一球面透镜32和第二球面透镜33具备较大屈光度的前提下，光束的折射角度也会增大，光路的横向传播距离可以缩短，该照明组件的横向尺寸可以进一步缩小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为现有技术中投影装置的照明组件的结构示意图；

图2为现有技术中未添加平面反射镜的投影装置的照明组件片的示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种应用于投影装置中的照明组件的示意图；

图4为本发明实施例中光导管未旋转时的照明组件的结构示意图；

图5为本发明实施例中光导管旋转后的照明组件结构示意图；

图例说明：1-光导管；2-DMD模块；21-DMD面；3-照明组件；31-TIR棱镜；311-棱镜底面32-第一球面透镜；33-第二球面透镜；34-非球面透镜；35-平面反射镜；4-光导管的出光口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种应用于激光投影装置中的照明组件，旨在通过设计合理的照明组件架构，在保证激光投影装置的性能不受影响的情况下，使其小型化、低成本化从而解决现有的激光投影装置普遍存在体积大、价格高的问题。

如图3、图4所示，为本申请实施例提出的一种应用于投影装置中的照明组件的示意图，该投影装置包括照明组件3、光导管1、光阀2、TIR（Total Internal Reflection，全内反射）棱镜31。在图3中，4为光导管的出光口，光源出射的激光入射至光导管（进行匀光）后再出射出来。

其中，照明组件3包括沿光导管1出射至光阀2（本实施例中即DMD模块2）的光路上依次设置第一球面透镜32、第二球面透镜33、非球面透镜34，对于其中各个透镜所在的位置以及作用，分别描述如下：

第一球面透镜32的入光面为凹面，第一球面透镜32的出光面为凸面，用于增大上述光导管1所出射光束的偏折角度以及对该光束进行场曲校正和畸变校正。

第二球面透镜33的入光面与出光面均为凸面，用于对第一球面透镜32出射的光束进行场曲校正以及畸变校正。

非球面透镜34的入光面为凸面，用于对第二球面透镜33出射的光束进行像差校正，以及将校正后的光束投射至TIR棱镜31，以使TIR棱镜31将该光束全反射至DMD模块2。需要说明的是，非球面透镜34的出光面可以是平面，也可以是其他面型，不作特别限定。

在本实施例中，第一球面透镜32的屈光度φ1为正，且满足：17D≤φ1≤56D；所述第二球面透镜的屈光度φ2为正，且满足：24.5D≤φ2≤33.5D。这样，在保证第一球面透镜32和第二球面透镜33具备较大屈光度的前提下，光束的折射角度也会增大，光路的横向传播距离可以缩短，该照明组件的横向尺寸可以进一步缩小。

在本发明的一个实施例中，优选第一球面透镜32和第二球面透镜33的材质为镧冕玻璃，第一球面透镜32的折射率S1需要满足1.60≤S1≤1.85；第二球面透镜33的折射率S2需要满足：1.60≤S2≤1.85。

在本发明的一个实施方式中，为了进一步提高第一球面透镜32和第二球面透镜33的场曲校正能力，将第一球面透镜32的厚度H1设为：7.2mm≤H1≤12.6mm，将第二球面透镜33的厚度H2设为：7.2mm≤H2≤12.6mm。

在本发明的一个实施例中，上述非球面透镜34的出光面优选为平面，而且，设置该非球面透镜34的出光面与TIR棱镜31的入光面平行。非球面透镜34的屈光度φ3为正，且满足：22.5D≤φ3≤29.5D。进一步的，可以限定非球面透镜34的出光面与TIR棱镜31的入光面之间的间距L1的取值在0mm至3.6mm之间。这样可以最大程度的保证非球面透镜34出射的光束都出射至TIR棱镜31中。而且也进一步缩短了照明组件的横向尺寸。

为了进一步缩小照明组件的尺寸，本申请通过利用平面反射镜对光路进行折转，从而减少照明组件的整体长度，因此在本申请的一个优选实施例中，该平面反射镜35设置于第二球面透镜33与非球面透镜34之间，用于将第二球面透镜33出射的光束折转θ后出射至非球面透镜34，限定85°≤θ≤125°。

为了配合平面反射镜对光路的转折，在本申请的优选实施例中，所述平面反射镜分别与所述第二球面透镜以及所述非球面透镜所在的平面呈45度夹角，而第二球面透镜所在的平面垂直于所述非球面透镜所在的平面。

在具体的应用场景中，照明组件3可采取如图5所示的结构，其中照明组件3整体呈L型结构，照明组件3采用2片球面透镜、1片非球面透镜、1片平面反射镜＋TIR棱镜的照明架构模式。此外，还可在第二球面透镜与反射镜之间还可以设置孔径光阑，该孔径光阑与第二球面透镜的距离为0.3mm~0.7mm，用于遮挡杂散光，避免杂散光进入到镜头。首先，光导管1通过多次反射对入射进照明组件3的射入光线进行匀化，第一球面透镜32和第二球面透镜33使光线会聚于光阑经平面反射镜35折转，非球面透镜34使射入光线再一次的会聚，经TIR棱镜31全反射到DMD模块2上，DMD模块2将光线射入到镜头上进行成像。

以上实施例都是本发明提出的优选实施例，传统照明组件中所采用的两平面反射镜的折转方式大大增加了照明组件的纵向高度，从而导致激光投影装置的体积大、成本高，不利于激光投影装置扩大用户群以及对厂家对产品利润的提升。本实施例中的照明组件3采用一片平面反射镜35来替代传统照明组件中两片平面反射镜，在此基础上本领域技术人员可以采取其他等同的变形方案，这些都属于本发明的保护范围。

通过采用上述在照明组件3上设置2片球面透镜＋1片非球面透镜34+1片平面反射镜35＋TIR的架构的方案，能够做到小型化同时降低了照明组件3成本，使激光投影装置在价格和体积方面的优势显著增加，扩大了该产品的用户群，并提升了产品的利润。

在本申请优选的实施例中，为了使透镜能够达到其对应的功能，对于透镜的材质进行了具体的限定：所述第一球面透镜32为弯月球面透镜，且其镜片材质为高折射率的镧冕玻璃，所述镧冕玻璃的高折射率使得所述光线的偏折角度变大，从而减小所述照明组件3的横向尺寸，所述第一球面透镜32的厚度H1进一步优选为8毫米至12毫米，从而增强校正场曲的能力。

需要说明的是，第一球面透镜32和第二球面透镜33不仅可以为弯月球面透镜，还可以为其他类型的球面透镜。本发明在此不对第一球面透镜32的球面透镜类型做具体限定，本领域技术人员可根据产品需要具体选择任一球面透镜类型，且其球面透镜类型的变化并不会影响本发明的保护范围。

其中，第一球面透镜32和第二球面透镜33的镜片材质不仅可以为镧冕玻璃，还可以选择其他的镜片材质。本发明在此不对二者的镜片材质做具体限定，只要所采用的两片球面透镜的镜片材质折射率取值范围为1.60至1.85，本领域技术人员可根据产品需要具体选择任一镜片材质，且其镜片材质的变化并不会影响本发明的保护范围。

在本申请的优选实施例中，为了进一步地减少照明组件的体积，将非球面透镜34紧密设置于TIR棱镜31上，由于非球面透镜34的平面侧靠近TIR棱镜31且有利于结构装配，因此将非球面透镜34的平面侧紧贴TIR棱镜31上能够进一步压缩照明组件3的体积。由于非球面平凸透镜具有更强的校正像差的能力，再结合第一球面透镜32和第二球面透镜33校正像差能力增强，因此本发明的照明组件3架构不仅能够起到相同的性能作用，同时还可以减少照明组件3的横向尺寸。

需要指出的是，本实施例中平面反射镜35到第二球面透镜33的预设距离与到非球面透镜34的预设距离相等，这样有利于平面反射镜35折转后的光线到第二球面透镜33的预设距离与到非球面透镜34的预设距离相等，使得光路长度最小。这样有利于照明组件3的小型化，从而使激光投影装置的体积变小、成本下降。

进一步，所述TIR棱镜31与所述非球面透镜34间隔预设距离或者距离为0，所述TIR棱镜31用于接收从所述非球面透镜34发射的光线，并将所述光线全反射至所述DMD模块2。由于TIR棱镜31为本领域中公知技术，在此不再一一赘述。

在本发明的另一优选实施例中，采取的是无平面反射镜的方式，在这种设置方式下，所述第一球面透镜、所述第二球面透镜以及所述非球面透镜之间相互平行，所述第二球面透镜位于所述第一球面透镜与所述非球面透镜之间，所述非球面透镜位于所述第二球面透镜与所述TIR棱镜之间，该设置方式通过合理选取透镜材质和面型，来消除照明组件3的像差，同时采用双远心的架构来保证照明组件3的照度均匀性。为降低照明组件3的成本，在选取镜片的材质时，通过选择折射率高、透过率略低的材质中选取，通过镜片较少补偿损失的透过率使照明组件3的透过率保持不变，同时利用高折射率的材质、非球面透镜34和镜片之间的配合消除照明组件3的像差。

由于TIR棱镜一般都是不规则的钝角三角形，因此在本申请的优选实施例中，光导管的上表面沿其长度方向逆时针旋转至指定角度；所述指定角度与所述TIR棱镜的水平方向倾角相同，所述DMD模块上表面与水平面平行。

在具体的应用场景中，对于双远心的照明系统，在未添加平面反射镜35时，如图4所示，DMD面21与水平面间倾斜的预设角度α。DMD面21的倾角是由于TIR棱镜31的形状导致的，当TIR棱镜31为直角三角形时，会产生二次全反射的现象，因此TIR棱镜31为钝角三角形，因此导致TIR棱镜31的底面311与水平面存在角α，由于DMD平行于TIR棱镜31的底面311，所以DMD面就与水平面之间存在一定倾角α。

但对于非远心系统来说，因无TIR棱镜31导致的倾角，因此只需要一片反射镜用于减少横向尺寸即可。为补偿DMD面2121的倾角同时保证照明组件3的小型化，可采用旋转光导管11的方式来减小一片平面反射镜35。在本具体实施例中，当绕光导管11其长度方向逆时针旋转α时，如图4所示，此时光导管1相对于水平面有倾角-α，DMD面21因逆时针旋转了α，此时DMD面21平行于水平面，即α-α=0。这样不仅减小了照明组件3的纵向尺寸，同时因此减少了一片反射镜也降低了成本。

基于上述发明构思，本申请还提出了一种投影装置，该投影装置包括DMD模块2、镜头（未示出），TIR棱镜31，以及如上任一项所述的照明组件3，其中：

所述TIR棱镜31设置于所述照明组件3的非球面透镜与所述DMD模块2之间，用于将所述非球面透镜34会聚的第三出射光线全反射至所述DMD模块2上；

所述DMD模块2包括DMD面21，所述DMD面21的垂轴方向与所述镜头的光轴相平行，所述DMD模块2用于接收从所述TIR棱镜31射入的光线，并将该光线射入到所述镜头；

所述镜头用于接收所述DMD模块2出射的光线并进行成像。

通过采用本申请的上述技术方案。该方案通过减少镜片数量和采用特殊镜片的方式来减少照明组件的横向尺寸以及纵向高度，同时也降低了整体成本，进而在保证投影装置性能不受影响的前提下解决了照明组件体积大、成本高的问题。

从以上实施例都是本发明提出的优选实施例，在此基础上本领域技术人员可以采取其他等同的变形方案，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种应用于激光投影装置中的照明组件，其特征在于，包括：沿光导管出射至光阀的光路上依次设置的第一球面透镜、第二球面透镜、非球面透镜以及TIR棱镜；

所述第一球面透镜的入光面为凹面，所述第一球面透镜的出光面为凸面；

所述第二球面透镜的入光面与出光面均为凸面，所述非球面透镜的入光面为凸面；

其中，所述第一球面透镜的屈光度φ1为正，且满足：17D≤φ1≤56D；所述第二球面透镜的屈光度φ2为正，且满足：24.5D≤φ2≤33.5D。

2.根据权利要求1所述的照明组件，其特征在于，所述第一球面透镜的厚度H1满足：7.2mm≤H1≤12.6mm；

所述第二球面透镜的厚度H2满足：7.2mm≤H2≤12.6mm。

3.根据权利要求1所述的照明组件，其特征在于，所述非球面透镜的出光面为平面，且所述非球面透镜的出光面与所述TIR棱镜的入光面平行；

所述非球面透镜的屈光度φ3为正，且满足：22.5D≤φ3≤29.5D。

4.根据权利要求3所述的照明组件，其特征在于，所述非球面透镜的出光面与所述TIR棱镜入光面的间距L1满足：0mm≤L1≤3.6mm。

5.根据权利要求1至4任一项所述的照明组件，其特征在于，所述照明组件还包括平面反射镜，设置于所述第二球面透镜与所述非球面透镜之间；

所述平面反射镜对所述第二球面透镜出射的光束折转θ后出射至所述非球面透镜，85°≤θ≤125°。

6.根据权利要求5所述的照明组件，其特征在于，在所述第二球面透镜与所述平面反射镜之间还设置有挡圈；

所述挡圈包括：

通光孔，用于将所述第二球面透镜出射光束的中心部分透射至所述平面反射镜；以及，

遮挡部，用于将所述第二球面透镜出射光束的边缘部分反射或吸收。

7.根据权利要求6所述的照明组件，其特征在于，所述挡圈与所述第二球面透镜的间距L2满足：0.3mm≤L2≤0.9mm。

8.根据权利要求7所述的照明组件，其特征在于，所述通光孔为椭圆；

所述椭圆的长轴方向与所述光导管出光口的长边方向对应，所述椭圆的短轴方向与所述光导管出光口的短边方向对应。

9.一种激光投影装置，其特征在于，包括激光光源、光导管、权利要求1至8任一项所述的照明组件、光阀以及镜头；

所述光导管将所述激光光源出射的光束匀化后出射至所述照明组件；

所述光阀将所述照明组件出射的光束调制后出射至所述镜头以进行成像。

10.根据权利要求9所述的投影装置，其特征在于，所述光阀的垂轴方向与所述镜头的光轴方向平行；

所述光导管的上表面与所述光阀所在平面的夹角为β，18°≤β≤30°。

11.根据权利要求10所述的投影装置，其特征在于，所述TIR棱镜设置于所述非球面透镜与所述光阀之间，用于将所述非球面透镜会聚后出射的光束全反射至所述光阀。

12.根据权利要求8至11任一项所述的照明组件，其特征在于，所述第二球面透镜所在的平面垂直于所述光阀所在的平面。