CN113253557A - 一种基于菲涅尔透镜的投影仪系统 - Google Patents

一种基于菲涅尔透镜的投影仪系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于菲涅尔透镜的投影仪系统，包括合光模组，菲涅尔透镜，棱镜，光阀和成像系统；从所述合光模组出射的光线经过所述菲涅尔透镜后，控制光斑大小，调整光线角度，进入所述棱镜，所述光阀调制光线，最终进入所述成像系统。本发明基于菲涅尔透镜的投影仪系统，使得光源的光束以透射的方式经过菲涅尔透镜，光束被整形成所述光阀形状大小的光斑，进一步提高光效，输出高亮度图像，更好的整形光斑，提高光能利用率，并且节约成本，减小散热和设计难度。

Description

一种基于菲涅尔透镜的投影仪系统
技术领域
本发明涉及光学投影技术领域，尤其是涉及一种基于菲涅尔透镜的投影仪系统。
背景技术
随着经济社会的发展，现代投影技术按照投影中DLP(数字光处理)投影技术是目前运用比较广泛的一种投影技术。基于DLP投影系统可分为照明和成像两个部分，其中照明部分起着光学引擎的作用，即对光源发出的光进行准直和匀光，使入射到光阀上的光呈矩形均匀分布。目前投影仪重要指标之一是亮度，提高光能的利用率是光学设计中的突破点。照明部分中透镜尽可能将光源的光汇聚，积分器使得光线亮度均匀化，通过积分器后的光斑与光阀大小尺寸符合，成矩形分布。在其中，光线通过照明中的棱镜后到达光阀，接受其调制，调制后进入成像系统成像，最后到达屏幕。
现代投影仪光学设计，棱镜的大小和光阀发散角大小限制其亮度。有时为更好的提升亮度，光学设计中会增大棱镜厚度和大小，目的是更多的收集到光线。如果照明中的光线进入棱镜之前，光斑已经收缩的很好，那么棱镜可缩小体积，减小了设计空间。同时使用普通的凸透镜，像会出现渐晕现象，即边角变暗、模糊的现象，这是因为光的折射只发生在介质的交界面，凸透镜片较厚，光在玻璃中直线传播的部分会使得光线衰减。如果可以去掉直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，便能省下大量材料同时达到相同的聚光效果。
为了提升亮度，节约空间，减小散热，降低设计难度，必须选择更好的替代方案。传统基于DLP投影机技术的光路，都是在光阀之前的照明部分加入棱镜与准直匀光器件或者汇聚透镜，收缩光线发散角，形成与光阀大小的光斑。但是这些透镜都有比较明显的缺点，厚度大，占用空间大，设计难度大，光能利用率不足，成像不均匀，散热性能差，特别是整形成矩形的光斑，会有很严重的像差。这些现象在投影中都是要面临的困难，有的严重影响画质，影响用户观感。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于菲涅尔透镜的投影仪系统，进一步提高光效，输出高亮度图像，更好的整形光斑，提高光能利用率，并且节约成本，减小散热和设计难度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于菲涅尔透镜的投影仪系统，包括合光模组，菲涅尔透镜，棱镜，光阀和成像系统；从所述合光模组出射的光线经过所述菲涅尔透镜后，控制光斑大小，调整光线角度，进入所述棱镜，所述光阀调制光线，最终进入所述成像系统；
所述合光模组包括光源G，聚焦透镜，光源B，光源R，第一分光滤光片，准直透镜，第二分光滤光片和积分器；光源R、光源G、光源B的前端均设置聚焦透镜，三种光源分别发射红光、绿光、蓝光通过对应的聚焦透镜；
光源G发出的绿光和光源B发出的蓝光到达第一分光滤光片，第一分光滤光片对绿光给予通过，对蓝光给予反射；通过的绿光与反射的蓝光一起通过所述准直透镜，到达第二分光滤光片；光源R发出的红光到达所述第二分光滤光片，所述第二分光滤光片对红光给予反射，对蓝光和绿光给予通过；反射的红光与通过的蓝光和绿光到达所述积分器，进行第一次光束处理；经过第一次光束处理后的光束到达所述菲涅尔透镜，经菲涅尔透镜整形后发出，菲涅尔透镜控制光束的形状大小以及光线角度。
进一步地，所述合光模组还包括光源BP，光源BP前端设置聚焦透镜；所述积分器和所述菲涅尔透镜之间设置二次聚焦透镜；
光源BP发出的蓝光到达第一分光滤光片，第一分光滤光片将光源BP发出的蓝光反射到光源G的荧光粉上，荧光粉激发绿光，激发绿光和光源G发出的绿光一起通过准直透镜，第二分光滤光片对红光反射，对蓝绿光通过对蓝光绿光通过；反射的红光和通过的蓝光绿光到达所述积分器后，三种不同波长的光合成在一起，通过二次聚焦透镜，对光束聚焦后，再经菲涅尔透镜进行整形后发出。
进一步地，所述积分器为复眼积分器或棒状积分器；复眼积分器前后设置微小凸透镜，两侧设置三维结构微小透镜。
进一步地，所述菲涅尔透镜在表面镀上折射率不同的环形膜层，镀膜为ARcoating；所述菲涅尔透镜的曲面为球面或非球面；所述菲涅尔透镜的厚度c为1mm<c<5mm,直径小于35mm。
进一步地，所述菲涅尔透镜由内向外包括第一环透镜，第二环透镜，第三环透镜和第四环透镜；第一环透镜，第二环透镜，第三环透镜和第四环透镜的曲率和厚度不同，曲率系数a的范围是-20<a<30；第一环透镜、第二环透镜、第三环透镜、第四环透镜采用阶跃型或者渐变型折射率材料，材料为玻璃，树脂，聚烯烃或聚碳酸酯。
进一步地，所述菲涅尔透镜前端或者后端添加若干个菲涅尔透镜。
进一步地，光源R、光源G、光源B、光源BP为氙灯，LED，激光光源中的一种或混合光源；所述光阀包括DLP芯片，LCOS芯片或LCD；所述棱镜为TIR棱镜或RTIR棱镜；所述棱镜为1片棱镜或者2片棱镜胶合。
进一步地，菲涅尔透镜位于合光模组和棱镜之间,共用同一光轴系统；合光模组中的匀光器件复眼积分器与棱镜的距离设置为b,其范围是b<56.7mm，若有反射镜改变光轴，则其范围b<41.9mm。
进一步地，所述二次聚焦透镜为正光曲率或平凸透镜。
进一步地，所述菲涅尔透镜的曲面为非球面；第一环透镜，第二环透镜，第三环透镜和第四环透镜的非球面系数分别为2.69e-4,-1.43e-6,1.57e-8,-6.97e-10。
本发明的有益效果是：
本发明基于菲涅尔透镜的投影仪系统使得光源的光束以透射的方式经过菲涅尔透镜，光束被整形成光阀形状大小的光斑，进一步提高光效，输出高亮度图像，更好的整形光斑，提高光能利用率。
本发明基于菲涅尔透镜的投影仪系统经过合光模组发出后的光束，经过菲涅尔透镜各环形部分整形后，调整光线角度，输出与光阀形状成比例的光斑，入射到光阀中，光阀调制光后以反射的方式照射到棱镜的斜边，以全反射方式出光，进入成像系统。
本发明基于菲涅尔透镜的投影仪系统更好控制光斑角度入射到光阀，提高光效；使用菲涅尔透镜，厚度减小，节约设计空间，散热更容易；减小光程，提升透光率，增强亮度；提高照度均匀性。
本发明基于菲涅尔透镜的投影仪系统的菲涅尔透镜，改变环形部分的属性可以控制光束形状以及光线角度。同时菲涅尔透镜厚度减薄，光线不用再多经过透镜，减小了光程，增大透过率，提升了光能利用率，亮度更加均匀化，散热更加容易，设计空间增大，降低设计难度。
附图说明
附图1为本发明基于菲涅尔透镜的投影仪系统的整体结构图；
附图2为本发明基于菲涅尔透镜的投影仪系统的菲涅尔透镜左视图；
附图3为本发明基于菲涅尔透镜的投影仪系统的菲涅尔透镜主视图；
附图4为本发明菲涅尔透镜准直效果；
附图5为常规透镜出现的彗差图；
附图6为本发明菲涅尔透镜对与像差中彗差的改善效果图；
附图7为常规透镜出现的球差图；
附图8为本发明菲涅尔透镜对球差的改善效果图；
附图9本发明基于菲涅尔透镜的投影仪系统实施例1的结构原理示意图；
附图10本发明基于菲涅尔透镜的投影仪系统实施例2的结构原理示意图。
附图标记：合光模组1，光源G 11，聚焦透镜12，光源B 13，光源R14，第一分光滤光片15，准直透镜16，第二分光滤光片17，积分器18，光源BP 19，菲涅尔透镜2，第一环透镜21，第二环透镜22，第三环透镜23，第四环透镜24，棱镜3，光阀4，成像系统5，二次聚焦透镜6。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
一种基于菲涅尔透镜的投影仪系统，包括合光模组1，菲涅尔透镜2，棱镜3，光阀4和成像系统5。从合光模组1出射的光线经过菲涅尔透镜2后，控制光斑大小，调整光线角度，进入棱镜3，光阀4调制光线，最终进入成像系统5。
合光模组1包括光源G 11(绿光源)，聚焦透镜12，光源B 13(蓝光源)，光源R14(红光源)，第一分光滤光片15，准直透镜16，第二分光滤光片17和积分器18。光源R14、光源G11、光源B 13的前端均设置聚焦透镜12，三种光源分别发射红光、绿光、蓝光通过对应的聚焦透镜12。光源G 11发出的绿光和光源B 13发出的蓝光到达第一分光滤光片15，第一分光滤光片15对绿光给予通过，对蓝光给予反射。通过的绿光与反射的蓝光一起通过准直透镜16，到达第二分光滤光片17。光源R14发出的红光到达第二分光滤光片17，第二分光滤光片17对红光给予反射，对蓝光和绿光给予通过。反射的红光与通过的蓝光和绿光到达积分器18，进行第一次光束处理。经过第一次光束处理后的光束到达菲涅尔透镜2，经菲涅尔透镜2整形后发出，菲涅尔透镜2控制光束的形状大小以及光线角度。
红光没有经过准直透镜16，红光的角度以及光斑形状需要菲涅尔透镜2进行整形，菲涅尔透镜2对红光的整形最好，这样对整个光斑的大小和形状通过菲涅尔透镜2后可以更高效地进入棱镜3和光阀4，光斑更好更亮。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：合光模组1还包括光源BP 19(蓝光泵浦光源)，光源BP 19前端设置聚焦透镜12。积分器18和菲涅尔透镜2之间设置二次聚焦透镜6。
光源BP 19发出的蓝光到达第一分光滤光片15，第一分光滤光片15将光源BP 19发出的蓝光反射到光源G 11上的荧光粉上，荧光粉激发绿光，激发绿光和光源G 11发出的绿光一起通过准直透镜16。第二分光滤光片17对红光反射，对蓝光绿光通过。反射的红光和通过的蓝光绿光到达积分器18后，三种不同波长的光合成在一起，通过二次聚焦透镜6，对光束聚焦后，再经菲涅尔透镜2进行整形后发出。
菲涅尔透镜2前添加二次聚焦透镜6，可以更好的收缩光斑大小，当到达菲涅尔透镜2后，再次对光斑进行整形。添加二次聚焦透镜6，可以改善一个菲涅尔透镜2无法改变角度太大的光线的问题，增加二次聚焦透镜6，提前对光斑进行收缩整形，当再次经过菲涅尔透镜2后，更容易对光斑进行再次整形。
实施例3
本实施例与实施例1或2的不同之处在于：积分器18为复眼积分器或棒状积分器。光束到达积分器18之前，汇集的光束的发散角较大，照度均匀性不好，光束需要通过积分器进行第一次光束处理。
复眼积分器前后设置微小凸透镜，两侧设置三维结构微小透镜。复眼积分器有两个作用，第一是收缩光线发散角，第二是对照度均匀化。复眼积分器对光线的发散角进行匀光，使得更多的光线均匀地进入光学系统。复眼积分器中间厚度材料是对光束中照度不均匀性问题进行均匀化。复眼积分器可以对多种光源汇集后的光束进行照度均匀化、光线发散角收缩以及形状控制。
实施例4
本实施例与实施例1或2的不同之处在于：菲涅尔透镜2在表面镀上折射率不同的环形膜层，镀膜为AR coating(抗反射膜)。菲涅尔透镜2的曲面为球面或非球面。菲涅尔透镜2的厚度c为1mm<c<5mm,直径小于35mm。
实施例5
本实施例与实施例1或2的不同之处在于：菲涅尔透镜2由内向外包括第一环透镜21，第二环透镜22，第三环透镜23和第四环透镜24。第一环透镜21，第二环透镜22，第三环透镜23和第四环透镜24的曲率和厚度不同，曲率系数a的范围是-20<a<30。第一环透镜21、第二环透镜22、第三环透镜23、第四环透镜24采用阶跃型或者渐变型折射率材料，使得不同波长的光线通过不同折射率环形部分实现像差改善。材料为玻璃，树脂，聚烯烃或聚碳酸酯。
实施例6
本实施例与实施例1或2的不同之处在于：菲涅尔透镜2前端或者后端添加若干个菲涅尔透镜。
实施例7
本实施例与实施例1或2的不同之处在于：光源为氙灯，LED，激光光源中的一种或混合光源。光阀4包括DLP芯片，LCOS(硅基液晶)芯片或LCD(液晶显示屏)，对光线进行调制。棱镜3为TIR棱镜(全内反射棱镜)，RTIR棱镜(反向全内反射棱镜)。棱镜3为1片棱镜或者2片棱镜胶合。
实施例8
本实施例与实施例2的不同之处在于：菲涅尔透镜2位于合光模组1和棱镜3之间,共用同一光轴系统。合光模组1中的匀光器件复眼积分器与棱镜3的距离设置为b,其范围是b<56.7mm，若有反射镜改变光轴，则其范围b<41.9mm。
实施例9
本实施例与实施例2的不同之处在于：二次聚焦透镜6为正光曲率或平凸透镜，与菲涅尔透镜2共同控制光斑角度和大小。
实施例10
本实施例与实施例4的不同之处在于：菲涅尔透镜2的曲面为非球面。第一环透镜21，第二环透镜22，第三环透镜23和第四环透镜24的非球面系数分别为2.69e-4,-1.43e-6,1.57e-8,-6.97e-10。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于菲涅尔透镜的投影仪系统，其特征在于：包括合光模组，菲涅尔透镜，棱镜，光阀和成像系统；从所述合光模组出射的光线经过所述菲涅尔透镜后，控制光斑大小，调整光线角度，进入所述棱镜，所述光阀调制光线，最终进入所述成像系统；
所述合光模组包括光源G，聚焦透镜，光源B，光源R，第一分光滤光片，准直透镜，第二分光滤光片和积分器；光源R、光源G、光源B的前端均设置聚焦透镜，三种光源分别发射红光、绿光、蓝光通过对应的聚焦透镜；
光源G发出的绿光和光源B发出的蓝光到达第一分光滤光片，第一分光滤光片对绿光给予通过，对蓝光给予反射；通过的绿光与反射的蓝光一起通过所述准直透镜，到达第二分光滤光片；光源R发出的红光到达所述第二分光滤光片，所述第二分光滤光片对红光给予反射，对蓝光和绿光给予通过；反射的红光与通过的蓝光和绿光到达所述积分器，进行第一次光束处理；经过第一次光束处理后的光束到达所述菲涅尔透镜，经菲涅尔透镜整形后发出，菲涅尔透镜控制光束的形状大小以及光线角度。
2.根据权利要求1所述的基于菲涅尔透镜的投影仪系统，其特征在于：所述合光模组还包括光源BP，光源BP前端设置聚焦透镜；所述积分器和所述菲涅尔透镜之间设置二次聚焦透镜；
光源BP发出的蓝光到达第一分光滤光片，第一分光滤光片将光源BP发出的蓝光反射到光源G的荧光粉上，荧光粉激发绿光，激发绿光和光源G发出的绿光一起通过准直透镜，第二分光滤光片对红光反射，对蓝绿光通过对蓝光绿光通过；反射的红光和通过的蓝光绿光到达所述积分器后，三种不同波长的光合成在一起，通过二次聚焦透镜，对光束聚焦后，再经菲涅尔透镜进行整形后发出。
3.根据权利要求1或2所述的基于菲涅尔透镜的投影仪系统，其特征在于：所述积分器为复眼积分器或棒状积分器；复眼积分器前后设置微小凸透镜，两侧设置三维结构微小透镜。
4.根据权利要求1或2所述的基于菲涅尔透镜的投影仪系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜在表面镀上折射率不同的环形膜层，镀膜为AR coating；所述菲涅尔透镜的曲面为球面或非球面；所述菲涅尔透镜的厚度c为1mm<c<5mm,直径小于35mm。
5.根据权利要求1或2所述的基于菲涅尔透镜的投影仪系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜由内向外包括第一环透镜，第二环透镜，第三环透镜和第四环透镜；第一环透镜，第二环透镜，第三环透镜和第四环透镜的曲率和厚度不同，曲率系数a的范围是-20<a<30；第一环透镜、第二环透镜、第三环透镜、第四环透镜采用阶跃型或者渐变型折射率材料，材料为玻璃，树脂，聚烯烃或聚碳酸酯。
6.根据权利要求1或2所述的基于菲涅尔透镜的投影仪系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜前端或者后端添加若干个菲涅尔透镜。
7.根据权利要求1或2所述的基于菲涅尔透镜的投影仪系统，其特征在于：光源R、光源G、光源B、光源BP为氙灯，LED，激光光源中的一种或混合光源；所述光阀包括DLP芯片，LCOS芯片或LCD；所述棱镜为TIR棱镜或RTIR棱镜；所述棱镜为1片棱镜或者2片棱镜胶合。
8.根据权利要求3所述的基于菲涅尔透镜的投影仪系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜位于所述合光模组和所述棱镜之间,共用同一光轴系统；所述合光模组中的匀光器件复眼积分器与所述棱镜的距离设置为b,其范围是b<56.7mm，若有反射镜改变光轴，则其范围b<41.9mm。
9.根据权利要求2所述的基于菲涅尔透镜的投影仪系统，其特征在于：所述二次聚焦透镜为正光曲率或平凸透镜。
10.根据权利要求4所述的基于菲涅尔透镜的投影仪系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜的曲面为非球面；第一环透镜，第二环透镜，第三环透镜和第四环透镜的非球面系数分别为2.69e-4,-1.43e-6,1.57e-8,-6.97e-10。
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