CN113568263B - 一种基于菲涅尔透镜提高准直效率的照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于菲涅尔透镜提高准直效率的照明系统，包括不同波长光源，每个光源处均设置一个会聚透镜，其中第一光源、第五光源和第三光源发射的光线经过各自的会聚透镜和第一二向色镜后，不同角度的光线通过菲涅尔透镜准直透镜进行准直；准直后的光线通过第二二向色镜，第四光源发射的光线经过会聚透镜后通过第二二向色镜，第二二向色镜将两种光线形成光束并汇入匀光系统，光束依次通过匀光系统、光阀系统，投影系统，最终投影到屏幕上。

Description

一种基于菲涅尔透镜提高准直效率的照明系统

技术领域

本发明属于投影仪技术领域，涉及一种基于菲涅尔透镜提高准直效率的照明系统。

背景技术

现代投影技术按照投影中，DLP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,使入射到光阀系统上的光呈矩形均匀分布，光阀系统可以更好调制图像。照明系统中最重要的目的是提高光效以及整形光斑。照明系统中有两个重要的元件，一个是准直透镜，另外一个是积分器。

现在通用的准直透镜使用的非球面透镜，但是非球面的光效一般，厚度较大，光程较大，成本较高，加工难度大，厚度在3-10mm左右，不能节约成本与空间。整个设计系统中的空间非常紧密。有时候会严重影响到各个透镜的装配。

发明内容

本发明的目的在于：克服传统的DLP技术中照明系统中光线准直效果不太好，光效低以及空间占用比较大的问题。进而提出一种基于菲涅尔透镜的准直透镜，便于更好的对光源发散的光线准直，减小空间设计成本，提升光线利用率的照明系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于菲涅尔透镜提高准直效率的照明系统，包括不同波长光源，每个光源处均设置一个会聚透镜，其中第一光源、第五光源和第三光源发射的光线经过各自的会聚透镜和第一二向色镜后，不同角度的光线通过菲涅尔透镜准直透镜进行准直；

准直后的光线通过第二二向色镜，第四光源发射的光线经过会聚透镜后通过第二二向色镜，第二二向色镜将两种光线形成光束并汇入匀光系统，光束依次通过匀光系统、光阀系统，投影系统，最终投影到屏幕上。

进一步地，所述菲涅尔透镜靠近第一二向色镜的面型为R1面，可采用平凹非球面、球面或自由曲面；靠近第二二向色镜的面型为R2面，可采用自由曲面或非球面，各环形部分曲率和厚度均不同。

进一步地，所述菲涅尔透镜各环形部分曲率透镜可以采用阶跃型或者渐变型折射率材料或不同材料模压，与各波长光线折射率匹配；并在菲涅尔透镜表面镀上AR增透膜或者各个环形不同工艺的膜层。

进一步地，所述光源采用UHP氙灯、LED灯、激光光源中的一种或混合。

进一步地，所述光阀系统从光线传递方向依次包括第一中继透镜、第二中继透镜，反光镜、棱镜和光阀芯片。

进一步地，所述光阀芯片包括但不限于DLP芯片，LCOS芯片或LCD芯片。

进一步地，所述匀光系统从光线传递方向依次包括第一凸透镜、第二凸透镜和积分器rod。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.第一光源、第三光源、第五光源中光线从发光材料中出来，其发散角是比较大的。本设计中需要最大化收集光线，提升光效利用率，就需要将发散角比较大的光线收集到，最好的方法就是对光线进行准直，缩小光线的发散角。经过校正后的光线，然后进入下一个元件。光线进入积分器后，其会对成一般成高斯分布或者分布不均匀的光斑进行均匀化与整形。之后光线通过照明中的棱镜后到达光阀芯片，接受其调制，调制后进入成像系统成像，最后到达屏幕。

2.光源中的发光材料经过激发后发射的光线经过会聚透镜到达准直透镜，其发散角较大，需要进一步对光线的发散角处理，否者后续系统接受的光线比较少，导致整个系统光效较低，还可能会导致杂散光太多，影响对比度。所以会在各个光源光线汇聚后放置一个准直透镜，对光线进一步处理，整个系统的光效会有很大的提升。

3.本发明中可以更好控制光源光线的发散角度，光线更容易水平入射到光阀系统；光线更多被收集，减少了杂散光；收集更多的光线，可以提高光线利用率，减小光能损失，节约成本减小光程，减小设计空间，散热更容易；提高照度与色均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图，其中：

图1是菲涅尔透镜R1面型不一致示意图，分别用在实施案例2和案例1。

图2是本发明整体的结构原理示意图。

图3是本发明实施案例1的结构原理示意图。

图4是本发明实施案例2的结构原理示意图。

图5是实施案例中第一二向色镜DMB透过率理想示意图。

图6是实施案例中第二二向色镜DMR透过率理想示意图。

图7是实施案例中第一二向色镜DMB透过率不同角度实际测量数据图。

图8是实施案例中第二二向色镜DMR透过率不同角度实际测量数据图.

图中标记：1-第一光源，2-会聚透镜，3-第三光源，4-第四光源，5-第五光源，6-第一二向色镜DMB，7-菲涅尔透镜，8-第二二向色镜DMR，9-匀光系统，91-第一凸透镜，92-第二凸透镜，93-积分器rod，10-光阀系统，110-第一中继透镜，111反光镜，112-第二中继透镜，113-棱镜，114-光阀芯片，11-投影系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

如图3所示，第一光源1、第三光源3、第四光源4分别辐射出G，B，R不同波长的光，第五光源5发出蓝光，经过与之匹配的会聚透镜2射向第一二向色镜DMB6，通过第一二向色镜DMB6反射后，光线照射到光源1上，激发其中的荧光粉，产生更多的绿光，提升绿光的亮度。

所述第一二向色镜DMB6对蓝光反射，对红，绿光透过，其透过率曲线如图5和图7。汇聚的光束在经过所述菲涅尔透镜7，该菲涅尔透镜7靠近第一二向色镜DMB6的一侧使用的是平面。准直后经过第二二向色镜DMR8，其对红光反射，蓝绿光透过，透过率曲线如图6和图8。光束经过阵列积分器，也就是复眼进行整形匀光，

其中光阀系统10，第一中继透镜110、第二中继透镜112，反光镜111、棱镜113和光阀芯片114，光阀芯片114可以使用DMD,LCD,LCOS等芯片。最后将调制后的光线经过投影系统11完整投影到屏幕上。

所述菲涅尔准直透镜7R1是平面可以让光线更多地进入，R1是非球面，改变光线的折射角，对大角度的光线修正。使用该元件后可以更好的将光线准直，后续的元器件可以更好地利用光能，整个系统的几何光效可以达到50％以上。

实施例二

如图4所示，四种光源，第四光源(4),第一光源(1),第三光源(3)以及第五光源5分别发射相应红，绿，蓝，蓝，光线通过各自光源前的会聚透镜2，其中第一二向色镜DMB6，对第一光源1发出的绿光给予通过，但是对第三光源3发出的蓝光给予反射。同时对于第五光源5发出的蓝光反射到绿光源(1)上的荧光粉上，荧光粉激发绿光，绿光可以透过二向色镜DMB6。最终蓝光和绿光一起通过菲涅尔透镜7，被给予校正，所述菲涅尔准直透镜7靠近第一二向色镜DMB6的一侧是凹面变形非球面，靠近第二二向色镜DMB8的一侧面型是多项式非球面。

光源4发出的红光到达所述第二二向色镜MDR8后被反射，二向色镜MDR8透过蓝绿光。三种不同颜色的光线汇合到一起形成白光，

如图4所示匀光系统9包括第一凸透镜91、第二凸透镜92和积分器rod93，白光经过积分器rod93前所述第一凸透镜91、第二凸透镜92将光束收缩成矩形大小，然后耦合进入所述积分器rod93，光束在积分器rod93腔内不断反射，使得光束分布均匀；

在经过积分器rod93对光束匀光与整形，该积分器rod93是中空，四壁都是高反介质表面，光线在积分器rod93内不断反射，最终在出光口输出均匀，矩形大小的光斑。在积分器rod93后再次接入第一中继透镜110，通过所述光阀系统10调制成像，投影。

实施例三

上述方案中，所述菲涅尔准直透镜的直径为20-22mm,厚度为3.6mm；

上述方案中，所述菲涅尔准直透镜的右侧面型为凸面变形非球面，其X子午线二次曲面系数为1.04，半径23-25mm；Y子午线二次曲面系数为7.12，半径为33-36mm；

上述方案中，所述菲涅尔准直透镜的左侧面型为凹面多项式非球面，半径为30-35mm，4阶非球面系数-4.173e-5，6阶非球面系数1.251e-7，8阶非球面系数-1.628e-9，10阶非球面系数5.289e-12；

上述方案中，所述菲涅尔准直透镜的材料可以是350R，对620nm波长的折射率1.507631，550nm波长折射率为1.510968，460nm波长的折射率1.517871；

上述方案中，所述菲涅尔准直透镜距离所述二向色镜6的距离在20-35mm之间。

所述菲涅尔透镜7各个环形曲率透镜可以采用阶跃型或者渐变型折射率材料或不同材料模压，与各波长光线折射率匹配。并在表面镀上AR增透膜或者各个环形不同工艺的膜层。介质对光的折射率是n＝c/v，而光在介质中传播频率不变，速度与波长的关系是v＝f*λ，于是得n＝λ_c/λ_v，于是两个不同介质有n1/n2＝λ2/λl，既波长越大折射率越小。G，B光线在菲涅尔透镜边缘中间角度以及光束质量都较好，主要是边缘光线发散角比较大会产生严重的色差。在相同的入射角情况下，根据n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂一侧是空气，一侧是菲涅尔透镜的折射率，由上述公式得出G的折射率小于B的折射率得出G的出射角θ比B的出射角θ大，所以在菲涅尔透镜边缘使用与中心不同的折射率材料，该折射率要求比中心折射率大，折射率计算公式为n＝c/v。这样同时可以改善色差，同时对大角度光线起着更好的校准效果。

在投影照明系统中，需要对光源光线发散角进行校正，否者光线发散角太大，光能损失严重，同时也会造成杂散光严重，影响对比度。大角度的光线入射到其他位置，会引起散热，挥发等问题，进一步污染光学镜片，甚至挥发物到达光阀系统上，最终挥发物成像在屏幕上。所以在设计时，需要对光线发散角进行控制，所述菲涅尔透镜就可以很好的解决该问题。第一可以将光线准直，提高光效；第二减小大角度光线对散热，对比度的影响；第三厚度比较小，可以减小设计和空间成本。

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的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员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 (7)

1.一种基于菲涅尔透镜提高准直效率的照明系统，其特征在于：包括不同波长光源，每个光源处均设置一个会聚透镜（2），其中第一光源（1）、第五光源（5）和第三光源（3）发射的光线经过各自的会聚透镜和第一二向色镜（6）后，不同角度的光线通过菲涅尔透镜（7）进行准直；

准直后的光线通过第二二向色镜（8），第四光源（4）发射的光线经过会聚透镜后通过第二二向色镜（8），第二二向色镜（8）将两种光线形成光束并汇入匀光系统（9），光束依次通过匀光系统（9）、光阀系统（10），投影系统（11），最终投影到屏幕上。

2.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔透镜提高准直效率的照明系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜（7）靠近第一二向色镜（6）的面型为R1面，可采用平凹非球面、球面或自由曲面；靠近第二二向色镜（8）的面型为R2面，可采用自由曲面或非球面，各环形部分曲率和厚度均不同。

3.根据权利要求2所述的一种基于菲涅尔透镜提高准直效率的照明系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜（7）各环形部分曲率透镜可以采用阶跃型或者渐变型折射率材料或不同材料模压，与各波长光线折射率匹配；并在菲涅尔透镜（7）表面镀上AR增透膜或者各个环形不同工艺的膜层。

4.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔透镜提高准直效率的照明系统，其特征在于：所述光源采用UHP氙灯、LED灯、激光光源中的一种或混合。

5.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔透镜提高准直效率的照明系统，其特征在于：所述光阀系统（10）从光线传递方向依次包括第一中继透镜（110）、第二中继透镜（112），反光镜（111）、棱镜（113）和光阀芯片（114）。

6.根据权利要求5所述的一种基于菲涅尔透镜提高准直效率的照明系统，其特征在于：所述光阀芯片（114）包括DLP芯片，LCOS芯片或LCD芯片。

7.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔透镜提高准直效率的照明系统，其特征在于：所述匀光系统（9）从光线传递方向依次包括第一凸透镜（91）、第二凸透镜（92）和积分器rod（93）。

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