CN112180660A - 一种利用非球面反射镜的dlp照明系统、投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用非球面反射镜的DLP照明系统，包括：光源、折射透镜组、反射镜；其中，光源，所述光源输出提供照明系统需要的光；折射透镜组，所述折射透镜组将所述光源输出提供照明系统需要的光传导至所述反射镜；反射镜，所述反射镜为非球面反射镜。其能显著提高投影机的明暗对比度，结构简单，零件工艺性好，公差性能优良，性价比高，适合规模化生产，且能够进一步优化像差，提升整个照明系统的光线输出质量。

Description

一种利用非球面反射镜的DLP照明系统、投影装置

技术领域

本发明涉及投影装置技术领域，具体而言涉及一种投影装置的光源领域。

背景技术

近几年，DLP投影显示技术凭借其丰富的色彩、高清晰的画面、高亮度的图像及高对比度的显示得到迅速发展，它可以实现体积更小，重量更轻的产品特性，特别是在电影院数字放映领域，其优势无可比拟。DLP技术中的核心部件主要采用的是DMD数字图像芯片，DMD是美国德州仪器公司独家掌握并开发的数字图像芯片，它是由很多矩阵排列的数字微反射镜组成，工作时微型反光镜随图像数字信号会有10度、12度或14度的翻转，将来自照明光源的光束通过微反射镜的翻转反射进入投影镜头成像在屏幕上。为匹配DMD芯片的入射角度，提高投影显示画面的均匀性，合理布局投影设备部件，DLP投影照明光路系统主要有两大类型：远心光路系统和折反射非远心光路系统。

DLP照明系统，包含两种功能：1.聚光功能，将积分柱出口端的发散光，聚成收敛光照射在DMD上，2.接续光的功能，将积分柱出射的光，接续至DMD位置，经DMD反射后进入成像系统。要实现第二个功能，就要限制照明系统光点的大小，光点的大小决定积分柱的出光在DMD上成像是否清晰。一般的DLP照明系统中会加入一片或两片非球面透镜来保证成像质量。但能加工成非球面透镜的玻璃材料很有限，所以使用非球面透镜有其局限性。本发明采用球面透镜，将非球面添加在折转光路的反射镜上，除了折转光路，也能优化像差。

因此，有必要提供一种新的反射聚光装置，以解决上述技术问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种DLP照明系统，，包括：光源、折射透镜组、反射镜；其中，光源，所述光源输出提供照明系统需要的光；折射透镜组，所述折射透镜组将所述光源输出的提供照明系统需要的光传导至所述反射镜；反射镜，所述反射镜为非球面反射镜。

可选择地，所述非球面反射镜的反射面为旋转对称光学面。

可选择地，所述非球面反射镜为凹面偶次非球面。

可选择地，所述非球面反射镜的非球面系数不超过十阶。

可选择地，所述非球面反射镜的面型由以下公式确定：

式中，z为矢高，c表示曲面顶点处的曲率，r＝x²+y²，k为圆锥系数，x,y表示垂直于光轴的坐标面的正交分量，a1…a8表示偶次项对应的系数。

可选择地，其中，c＝-35.6，k＝0.3，a₄＝-3.5，a₆＝-2.4a₈＝6.2，a₁₀＝-1.6。

可选择地，所述折射透明组包括至少两片透镜。

本发明的另一方面提供了一种投影装置，所述投影装置包括：前述第一方面所述的DLP照明系统；数字微镜元件，所述数字微镜元件调制从照明系统来的光束，以显示微图像。

可选择地，照明系统的光束在所述数字微镜元件上的成像光点的均方根半径为400nm左右。

综上所述，本发明提供一种用非球面反射镜折转光路并优化像差，其能显著提高投影机的明暗对比度，结构简单，零件工艺性好，公差性能优良，性价比高，适合规模化生产，且能够进一步优化像差，提升整个照明系统的光线输出质量。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为DLP照明光路的示意图；

图2为本发明实施例的DLP照明光路的示意图；

图3为图1所示DLP照明光路的光点图；

图4为图2所示的本发明实施例的DLP照明光路的光点图；

图5为本发明实施例的DLP照明光路中的折射透镜组的示意图。

附图标记说明：

100 折反射镜

101 数字微镜元件(DMD：Digital Micromirror Device)

102 镜头

200 非球面反射镜

201 光源

202 折射透镜组

L1,L2,L3 透镜

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出具体的实施方案，以便阐释本发明如何改进目前存在的问题。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

激光投影机的DLP照明光路如图1所示，其中，DLP是"Digital Light Processing"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。一般来讲，它是基于TI(美国德州仪器)公司开发的数字微镜元件—DMD(DigitalMicromirror Device)来完成可视数字信息显示的技术。具体地，DLP投影技术应用了数字微镜元件(DMD)来作为主要关键处理元件以实现数字光学处理过程。其原理是将通过UHP灯泡发射出的冷光源通过冷凝透镜，通过积分柱(未图示)将光均匀化，经过处理后的光通过一个色轮(Color Wheel)(未图示)，将光分成RGB三色(或者RGBW等更多色)，可选择地，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。

其中，所述DLP照明光路包括折反射镜100，数字微镜元件(DMD：DigitalMicromirror Device)101，镜头102，光源201，积分柱(未图示)，折射透镜组202，数字微镜元件101，其中，示例性地，光源201可以选择UHP灯泡，积分柱位于光源201和折射透镜组202之间，用于对光源201输出的光进行匀光，数字微镜元件101用于调制投影机中从照明系统来的光束，以显示微图像，充当镜头102系统的物面；折射透镜组202，其中的透镜的形状、间距和材质是通过光学成像原理设计而来，从左到右其口径依次增大，因而便于后续机械结构设计和装配。因此，其结构简单，零件工艺性好，公差性能优良，性价比高，适合规模化生产。另外，因为折射透镜组202在原理上采用非远心光学系统设计，因此不需要笨重且占体积的棱镜系统，能显著提高投影机的明暗对比度。折射透镜组202用于平衡整个成像系统的像差，包含球差、慧差、象散、色差，并成一弯曲的实像于折反射镜100前，其中，投影镜头系统采用非远心光学系统设计，不含棱镜。整个折射透镜组202的所有透镜光学中心共轴，为主光轴，数字微镜元件101相对于主光轴有偏置，用于调制投影机中从照明系统来的光束，以显示微图像，充当镜头系统的物面，其中心相对于折射透镜组200的主光轴偏置5.6mm左右，本发明支持1080P、WXGA、XGA等各种分辨率的DMD芯片，均能满足高质量成像。折反射镜100相对于主光轴有偏心。折射透镜组202包括多片透镜。所述透镜的材质可以选自环保型玻璃和PMMA树脂塑料，当然透镜的材质并不限于上述两种材料，还可以进行其他选择。并且，具体选择哪一片透镜为哪一种材料，本领域技术人员可以根据实际需求进行设定。

优选地，折反射镜100为球面透镜，其对折射透镜组202出射的光进行发射，并将光引导至数字微镜元件101，并进行后续成像。

根据附图1所示的非远心光学系统设计，不需要笨重且占体积的棱镜系统，能显著提高投影机的明暗对比度，而且该镜头不包含任何形式的胶合透镜，因而结构简单，零件工艺性好，公差性能优良，性价比高，适合规模化生产。

然而，尽管具有上述优势，积分柱经过折射透镜组202出射的光，经折射透镜组202的汇聚后在数字微镜元件DMD上形成光点的均方根半径(RMS radius)优化后仍然比较大。入射至数字微镜元件DMD之前的光学系统可称为照明系统。

鉴于照明系统产生的光在数字微镜元件101上形成的光点的均方根半径(RMSradius)优化后仍然比较大，因此，需要对照明系统进行进一步改进，本发明经过理论研究以及诸多实践后，提出在照明系统中加入非球面反射镜，即将其中的折反射镜100替换为非球面反射镜，则入射至数字微镜阵列101的光点大幅度缩小。非球面反射镜不仅能折转光路，减小系统长度，而且能够进一步优化像差，使得入射至数字微镜元件101上的光点的均方根半径(RMS radius)得到优化，提升整个照明系统的光线输出质量。

具体，结合如图2所示的本发明实施例的DLP照明光路的示意图对上述方案进行具体说明，图2所示的DLP照明系统可用于超短焦投影镜头系统，包括非球面反射镜200，数字微镜元件(DMD：Digital Micromirror Device)101，镜头102，光源201，积分柱(未图示)，折射透镜组202，数字微镜元件101，其中，光源201可以选择UHP灯泡，积分柱位于光源201和折射透镜组202之间，用于对光源201输出的光进行匀光，数字微镜元件101用于调制投影机中从照明系统来的光束，以显示微图像，充当镜头系统的物面；折射透镜组202，其中的透镜的形状、间距和材质是通过光学成像原理设计而来，可选择地，从左到右其口径依次增大，因而便于后续机械结构设计和装配。因此，其结构简单，零件工艺性好，公差性能优良，性价比高，适合规模化生产。另外，因为折射透镜组202在原理上采用非远心光学系统设计，因此不需要笨重且占体积的棱镜系统，能显著提高投影机的明暗对比度。折射透镜组202用于平衡整个成像系统的像差，包含球差、慧差、象散、色差等等，并成一弯曲的实像于非球面反射镜200前，其中，可选择地，投影镜头系统采用非远心光学系统设计，不含棱镜。整个折射透镜组202的所有透镜光学中心共轴，为主光轴，数字微镜元件101相对于主光轴有偏置，用于调制投影机中从照明系统来的光束，以显示微图像，充当镜头系统的物面，可选择地，其中心相对于折射透镜组200的主光轴偏置5.6mm左右，本发明支持1080P、WXGA、XGA等各种分辨率的DMD芯片，均能满足高质量成像。非球面反射镜200相对于主光轴有偏心。折射透镜组202包括多片透镜。所述透镜的材质并不限于环保型玻璃和PMMA树脂塑料两种材料，还可以进行其他选择。并且，具体选择哪一片透镜为哪一种材料，本领域技术人员可以根据实际需求进行设定。

示例性地，附图2中的折射透镜组的示意图如图5所示，其中包含三片透镜，具体的透镜参数如下表所示：

	R1/mm	R2/mm	φ/mm	d/mm
					L1	24.73	plane	40.2	11.13
L2	plane	-42	37.39	5.7
					L3	77.13	-36.6	36.7	10.1

表1

示例性地，如图5所示，透镜L1,L2,L3构成折射透镜组202，其仅仅包含三片透镜，并且能够将积分柱输出的光折射传导至非球面反射镜200，并进一步在数字微镜元件101上成像，以形成较小的光点，优化后得到较小的光点的均方根半径(RMS radius)。

折反射镜100被替换为非球面反射镜200，其对折射透镜组202出射的光进行反射，并将光引导至数字微镜元件101，并进行后续成像，非球面反射镜200所使用的面型是凹面偶次非球面，属于旋转对称光学面，可选择地，且其非球面系数的阶数不超过十阶，因而便于加工生产和装配。为平衡折射透镜组202残留的像差，非球面反射镜200的初始面型是经过特殊数学算法计算而来的自由曲面，通过最小二乘法最终拟合为更实用的偶次非球面。

根据附图2所示的非远心光学系统设计，不需要笨重且占体积的棱镜系统，能显著提高投影机的明暗对比度，全部使用常用环保玻璃，因而结构简单，零件工艺性好，公差性能优良，性价比高，适合规模化生产。并且，进一步地，由于非球面反射镜200加入到照明系统，使得积分柱经过折射透镜组入射至数字微镜阵列101的光点大幅度缩小。非球面反射镜不仅能折转光路，减小系统长度，而且能够进一步优化像差，使得入射至数字微镜元件101上的光点的均方根半径(RMS radius)得到优化，提升整个照明系统的光线输出质量。

接下来，结合附图3、附图4对DLP照明系统中非球面反射镜进行详细的描述，

本发明提供的超短焦投影镜头系统的整体成像示意图如图2所示，来自投影机中照明系统的光束经过数字微镜元件101反射，其出射光线带有一定角度和孔径，这些光线被后续经过光学成像原理设计的镜头102接收，即满足照明系统和成像系统的光瞳匹配原则。其中，折射透镜组202与非球面反射镜200相互配合以消除光学系统中的特定的像差，比如：球差、慧差、象散、色差、场曲和/或畸变。两者之间的配合关系可以通过光学系统设计软件进行优化，比如：折射透镜组202能够校正平衡整个成像系统特定的像差：球差、慧差、象散、色差，但会留下特定的未校正平衡的像差：场曲、畸变。因此，光线在经过折射透镜组202后，只剩下场曲和畸变两种像差未处理。之后，光线进一步射入非球面反射镜200，反射后出射，成像于DMD，得到积分柱清晰的像。

然而，折射透镜组202与非球面反射镜200所消除的像差并不受上述举例的限定。比如，二者可以共同作用以消除光学系统内的场曲和畸变，或者球差、慧差、象散、色差中一个或多个也可以由非球面反射镜200来配合消除。

其中，非球面反射镜200的面型是经过特殊数学算法计算拟合而来，作用是校正平衡折射透镜组202残留的场曲、畸变两种像差，使得入射至数字微镜元件101上的光点的均方根半径(RMS radius)得到优化，提升整个照明系统的光线输出质量。至此整个投影镜头系统的所有基本像差校正完毕，得到屏幕上的清晰高质量画面。

示例性地，如图3中所示的光点图，其为图1所示DLP照明光路的光点图；如图4所示的光点图，其为图2所示的本发明实施例的DLP照明光路的光点图；

光点的大小表示积分柱在DMD上成像是否清晰。对于光点的评价思路具体为在DMD上的光点够小且均匀，也就是光在DMD上汇聚够锐利，照明系统的效果自然较好。附图3所示的优化的结果如下表所示：

表2

根据表1和附图3所示，其中，图中9个光点示出了不同视场下光点的分布情况，在不同的视场中，光点均方根半径(RMS RADIUS)有些许的不同，根据表中所列数据，光点均方根半径(RMS RADIUS)基本上在600nm左右，可见光点不够小且不够均匀，且其聚焦不够锐利。

附图4所示的优化的结果如下表所示：

表3

根据表2和附图4所示，其中，图中9个光点示出了不同视场下光点的分布情况，在不同的视场中，光点均方根半径(RMS RADIUS)有些许的不同，根据表中所列数据，光点均方根半径(RMS RADIUS)基本上在400nm左右，可见光点大幅度减小，光在DMD上汇聚足够锐利。

附图1中所示的折反射镜100，可选择地，为平面反射镜或球面反射镜，当选用平面反射镜时，其反射面为矩形平面，镀有反射膜。

而附图2中所示的非球面反射镜200，其非球面反射镜反射面面型为偶次非球面：

非球面反射镜200所使用的面型是凹面偶次非球面，属于旋转对称光学面，且其非球面系数的阶数不超过十二阶，因而便于加工生产和装配。示例性地，附图2中所示的非球面反射镜为十阶凹面偶次非球面，为平衡折射透镜组202残留的场曲和畸变像差，非球面反射镜200的初始面型是经过特殊数学算法计算而来的自由曲面，通过最小二乘法最终拟合为更实用的偶次非球面。其光学中心相对于折射透镜组202的主光轴有偏心。

以下给出本发明照明系统的一个优选实施例，具体的光学结构参数如

其中非球面反射镜200使用以下公式表征非球面面型：

式中，z为矢高，c表示曲面顶点处的曲率，r＝x2+y2，k为圆锥系数，x,y表示垂直于光轴的坐标面的正交分量，a1…a8表示偶次项对应的系数。

c＝-35.6k＝0.3a₄＝-3.5a₆＝-2.4a₈＝6.2a₁₀＝-1.6

上述非球面反射镜200，用于校正所述折射透镜组的残留像差，包含场曲和畸变，并反射光线，把图像最终成像于屏幕。

由此可见，折射透镜组出射的光，经球面透镜的汇聚后在DMD上形成光点的均方根半径(RMS radius)在加入非球面反射镜，光点大幅度缩小。非球面反射镜不仅能折转光路，减小系统长度，而且能够进一步优化像差，使得入射至数字微镜元件101上的光点的均方根半径(RMS radius)得到优化，提升整个照明系统的光线输出质量。

基于以上具体实施方式的DLP照明系统，能够在很短的距离内实现高清质量的大画面投影显示，畸变小，而且设计过程中未使用胶合透镜，无需棱镜系统，因此结构简单，零件工艺性好，公差性能优良，性价比高，适合规模化生产。

至此完成了对本发明的光源系统的解释和说明，对于完整的光源系统还可以包括其他的元件，在此不做赘述。

本发明的光源系统可以应用于任何需要合成光的应用场景中，包括但不限于应用于激光投影机，例如单片式激光投影机。本发明的光源系统能够实现时序的多色光的输出，得到激光投影机所需要的时序光。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。本领域技术人员还可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种利用非球面反射镜的DLP照明系统，其特征在于，包括：光源、折射透镜组、反射镜；其中，

光源，所述光源输出提供照明系统需要的光，

折射透镜组，所述折射透镜组将所述光源输出的光传导至所述反射镜；

反射镜，所述反射镜为非球面反射镜。

2.如权利要求1所述的DLP照明系统，其特征在于，所述非球面反射镜的反射面为旋转对称光学面。

3.如权利要求1或2所述的DLP照明系统，其特征在于，所述非球面反射镜为凹面偶次非球面。

4.如权利要求3所述的DLP照明系统，其特征在于，所述非球面反射镜的非球面系数不超过十阶。

5.如权利要求3所述的DLP照明系统，其特征在于，所述非球面反射镜的面型由以下公式确定：

式中，z为矢高，c表示曲面顶点处的曲率，r＝x²+y²，k为圆锥系数，x,y表示垂直于光轴的坐标面的正交分量，a1…a8表示偶次项对应的系数。

6.如权利要求5所述的DLP照明系统，其特征在于，其中，c＝-35.6k＝0.3，a₄＝-3.5，a₆＝-2.4，a₈＝6.2，a₁₀＝-1.6。

7.如权利要求1所述的DLP照明系统，其特征在于，所述折射透镜组包括至少两片透镜。

8.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括：

如权利要求1-7任一项所述的DLP照明系统；

数字微镜元件，所述数字微镜元件调制从照明系统来的光束，以显示微图像。

9.如权利要求8所述的投影装置，其特征在于，照明系统的光束在所述数字微镜元件上的成像光点的均方根半径平均值为400nm以下。

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