CN114563899A

CN114563899A - 一种高对比度、高光能利用率的dlp投影系统

Info

Publication number: CN114563899A
Application number: CN202210081263.4A
Authority: CN
Inventors: 王乐; 崔涛; 钱立勇; 沈泽涛; 张宏; 邾强强; 翟玥
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2022-05-31

Abstract

本发明公开了一种高对比度、高光能利用率的DLP投影系统，包括：导光棒、DMD和投影镜头；导光棒内依次整合有LD面光源、复合抛物面聚光器、GIRN透镜和光分离器；DLP投影系统还包括与导光棒连通的光源重复收集装置。本发明公开的DLP投影系统，能够有效减少DMD工作时平稳状态和Off状态的杂散光，因此有效提高对比度、光能利用率，并对激光散斑实现有效控制，并且光路简单、使用的元器件少、体积小、成本低。

Description

一种高对比度、高光能利用率的DLP投影系统

技术领域

本发明涉及激光投影的技术领域，尤其涉及一种高对比度、高光能利用率的DLP投影系统。

背景技术

近年来，随着人们对投影仪投射出的图像质量要求越来越高，传统的光源已经不能满足人们的需要，在投影仪光源的选择上，人们已经将注意力投向了激光照明领域。与传统光源相比，激光投影仪具有广色域、高对比度、高亮度等优点，被业界普遍看好有望成为下一代数字投影显示系统的主流照明光源。

DLP是一种用于全数字投影显示系统的技术，该系统基于美国德州仪器公司(TI)开发的数字微镜设备(DMD)，它是一种基于半导体基底的快速反射式数字光开关，它既是一种微电机系统(MEMS)，也是一种空间光调制器(SLM)。把DMD称为MEMS是因为它是由成千上万个可移动翻转的微小反射镜构成的，这些微反射镜是通过CMOS电路控制的。数字微镜在两个角度快速的翻转，对应两种工作状态。当微镜翻转到+12°时，此时处于“On”态；当微镜翻转到－12°时，此时处于“Off态”；“Flat”指的是微镜处于平板态，此时没有控制信号加载到微镜上，投影镜头的光轴垂直于微镜的表面。与其它显示系统相比，DLP投影系统具有更高的光学效率和更小的系统尺寸，具有广泛的应用前景。然而，DLP投影机受到对比度、光利用率、激光散斑等几个因素的影响。在这里，我们感兴趣的是如何增加对比度，作为不受控制的光的影响。进入图像系统的不受控光是由散射光引起的。为了达到更高的光学效率，成像系统的瞳孔需要收集更多的光线。在DLP投影系统中通常采用较小的F数成像系统来提高光学效率。但是这种方案存在缺陷：更多的光线进入图像系统也意味着更多的非受控光线进入图像系统。这种现象导致对比度下降，图像质量恶化。

在成像系统中增加非对称孔径是提高DLP投影系统对比度和保持光学效率的常用方法。非对称孔径能够切断从照明系统通过成像系统孔径的非受控光线。但是该方案存在以下缺陷：(1)很难将透镜与非对称光圈对齐，这一问题会增加制造成本。(2)非对称光阑将非受控光阑截断，DLP投影系统的对比度降低，因为多余的散射光可能通过成像系统内的多次反射而冲击到屏幕上。

在2011年出版的《激光与光电子学进展》刊物中，芮大为等人发表了《基于渐变折射率透镜的激光投影仪照明光路设计》，公开了一种利用渐变折射率(GRIN)透镜和激光的DLP投影仪照明光路，该设计以半导体激光二极管发出的光作为照明光源，装置组成为：红绿蓝(RGB)激光光源、单级GRIN透镜阵列、二向色镜、反射镜、DMD、吸收体和投影透镜。该方案以单级透镜系统取代传统的聚光、匀光等结构复杂的光学组件，提高了光能利用率降低了光学体积。得到了提高光效和减小体积的目的。但是该方案存在以下缺陷：(1)由于激光的相干性，显示图像中会出现散斑，从而影响了显示效果；(2)激光要通过三组二向色镜，在每个二向色镜上，光能都会有损耗，二向色镜的成本较高，对入射光的入射角度要求严格，在生产或运输的过程中，不能由于元器件位置的变化导致入射光入射到二向色镜的角度发生改变，整体的安装难度较大；(3)在DMD工作时平稳状态和Off状态的光以杂散光的形式依然进入图像系统，造成了对比度的降低，而且整个系统光能利用率低，结构复杂。

可见，现有的激光投影系统的方案无法使DMD工作时平稳状态和Off状态的杂散光远离图像系统，激光散斑无法有效的抑制，而且存在对光能的利用率低、结构复杂、元器件较多、体积较大、成本较高、散热困难等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种新型的DLP投影系统，能够有效减少DMD工作时平稳状态和Off状态的杂散光，因此有效提高对比度、光能利用率，并对激光散斑实现有效控制，并且光路简单、使用的元器件少、体积小、成本低。

具体技术方案如下：

一种高对比度、高光能利用率的DLP投影系统，包括：导光棒、DMD和投影镜头；

所述导光棒内依次整合有LD(Laser diode)面光源、复合抛物面聚光器、GIRN透镜和光分离器；

所述DLP投影系统还包括与所述导光棒连通的光源重复收集装置；

所述LD面光源经所述复合抛物面聚光器后汇聚成点光源，再经所述GIRN透镜产生光场均匀的准直光；所述准直光通过所述光分离器后，大部分光照射到所述DMD上，其中，On状态的光经所述光分离器后全部进入所述投影镜头，而平稳状态和Off状态的杂散光被所述光分离器全部反射后进入所述光源重复收集装置；剩下的小部分光也进入所述光源重复收集装置。

本发明公开了一种DLP投影系统，通过将元器件LD面光源、复合抛物面聚光器、GIRN透镜和光分离器整合于导光棒中，大大减小了该投影系统的体积；并通过依次设置的LD面光源、复合抛物面聚光器、GIRN透镜和特殊结构的光分离器，有效减少DMD工作时平稳状态和Off状态的杂散光；最后通过增设的光源重复收集装置，可以将平稳状态和Off状态的杂散光以及小部分被光分离器反射的光重新收集并利用，大大提高了光利用率同时还抑制了散斑。

本发明中采用了具有特殊结构的光分离器，其由光分离器P1与光分离器P2两部分组成，整体形状为等腰直角三棱镜，所述光分离器P1与所述光分离器P2采用相同材质，折射率均为n；

所述光分离器的斜面记为第一透镜面；

所述光分离器P1与所述光分离器P2的接触面记为第二透镜面，所述第二透镜面与靠近所述投影镜头一侧的直角面的较小的夹角记为θ_A，73.5°＜θ_A＜90°；

所述θ_A与n同时满足下式一到四；

为防止散光和克服制造技术的局限性，所述光分离器P1与所述光分离器P2间形成了空气隙，厚度为3～8μm。由于空气间隙的存在，射线路径的方向会被全内反射改变。

当光线以准直光的形式打到所述光分离器上时，光线全部通过光分离器P1的第一透镜面，然后光的行走路径分为两部分，其中小部分光打到光分离器P2表面，即第二透镜面，这部分光不进入DMD，为了提高光利用率和防止杂散光进入图像系统影响对比度，我们利用全内反射原理将这些光全反射到第一透镜面，光路图如图4所示。此时，在第二透镜面上满足的公式一如上所示。

其中，光分离器P1与光分离器P2为同种材料，折射率为n，默认空气的折射率为1。

当经第二透镜面全反射的光到达第一透镜面时，要使这部分光全部透射过去，然后被光源重复收集装置收集提高光利用率，此处应满足公式二如上所示。

大部分光打到DMD上，在DLP投影系统中，根据成像射线路径和DMD芯片的工作条件，有三种状态：开态(On状态)、平态和关态(Off状态)，微镜倾角分别为+12°、0°和-12°。在DMD芯片操作的三种状态中，平态和关态是不受控制的光散射的主要原因。为了减少不受控制的光的散射，提高图像的对比度，我们要让开状态的光线容易通过第二透镜面，而平态和关态的光反射远离图像系统。在DMD中微镜倾角0°到+12°是我们所需要的，而0°到-12°为杂散光的存在，我们要保证微镜倾角在0°到12°的光全部进入到图像系统中，而其余的远离图像系统，这样就可以提高图像的对比度。此时的临界条件为DMD微镜倾斜角度为0°，我们此时可以把DMD当作一个反面镜。

光线到达DMD后，经过反射，光线回到光分离器到达第一透镜面，此时要满足光线全部被反射到第二透镜面，满足全内反射原理，其应满足公式三如上所示：

当到达第二透镜面时，我们要使开启状态光全部透射过去进入投影镜头，而平态和关态光则被反射回第一透镜面，此时在第二透镜面满足的公式四如上所示，光路图分别如图5和图6所示。此时，经第一透镜面透射出的光同样被光源重复收集装置收集，这一方面提高了光能利用率，另一方面去除了杂散光，提高了对比度。

所述光源重复收集装置包括反光碗与光纤；

所述光纤，一端通过反光碗与所述导光棒连通，一端直接与所述导光棒连通。

所述光源重复收集装置，其作用在于一方面收集两部分光，第一部分光是不进入DMD，而被光分离器分离出来的光，第二部分是进入DMD后被再次分离出来的平稳状态光和关闭状态的光，把这两部分光重新利用起来，提高了光利用率；另一个作用在于，因为是激光光源，会产生散斑，当光在光纤中传输时使得多幅图像叠加，这样抑制了散斑现象。

优选的：

所述光纤直接与所述导光棒连通的一端，所述光纤的出口位于所述复合抛物面聚光器的前端。

所述反光碗位于GIRN透镜和光分离器之间。

采用上述的位置设计，可以收集更多的光。

本发明中：

所述LD面光源，选择了OSRAM公司专业用于投影机照明的激光光源，选自红、绿、蓝三色光源；

红色LD面光源的波长为650nm，功率为0.5w，型号为SPL CG65；

绿色LD面光源的波长为520nm，功率为0.5w，型号为PL 520；

蓝色LD面光源的波长为450nm，功率为1.6w，型号为PL TB450B。

所述复合抛物面聚光器简称CPC，它具有很好的聚光性质，相当于一个光学漏斗，它可以保证从光源出发的光线全部到达目标区域，可以使单位面积上聚集更多的光。所述复合抛物面聚光器的设计示意图如图7所示，图8中的抛物线OBC为y＝ax²，|AB|＝2a′，|CD|＝2b′，|EF|＝L，E和F分别是AB和CD的中点，AD与BC关于直线l对称，f是抛物线焦距，A是抛物线焦点，即A的坐标为

|CD|＝2b′

L＝|EF|＝(a′+b′)cosθ

当我们给定CPC的最大接收角或者其数值孔径NA、CPC的入射口径CD、CPC的出射口径AB、CPC的长度L四个参数中的两个即可推出其余的两个参数。运用以上公式即可确定出复合抛物面聚光器的各项参数。

优选的，所述复合抛物面聚光器的入射口径与所述导光棒的内径相同。

若导光棒为圆柱体，则该复合抛物面聚光器的入射口径就与导光棒的内径相同；

若导光棒为长方体，则该复合抛物面聚光器的入射口径就与导光棒的最大内切圆的直径相同。

激光光源具有较好的准直性，发射光斑较小，在使用激光作为投影机的照明光源时需要改变光形，本发明中采用梯度折射率透镜(GRIN)作为整形透镜，该透镜折射率沿径向变化，又称为渐变折射率透镜，其折射率满足公式：

其中，n₀是梯度折射率透镜的中心折射率，α是透镜折射率的渐变系数，r是透镜中任意一点离中心轴线的距离。光线在梯度折射率透镜中传播时，基于折射原理向中心自动偏转，一个周期内的光程轨迹是抛物线状，周期长度称为节距P，节距P＝2π/α，当点光源置于长度为：l＝P/4＝π/2α的梯度折射率透镜端面时，透镜出射平行光。

所述DMD选自TI公司，型号为dlp6500，芯片尺寸是14.5152mm×8.1648mm(16：9)。

为了与数字微镜元件匹配，所述投影镜头的入瞳直径大于20mm；视场角2ω为56～60°，在50lp/mm处光学传递调制函数值大于0.5；镜头的畸变小于1％。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明公开了一种DLP投影系统，通过将LD面光源、复合抛物面聚光器、GIRN透镜和特殊结构的光分离器整合到导光棒中，不仅大大减小了该投影系统的体积；还有效减少DMD工作时平稳状态和Off状态的杂散光，有效提高了投影系统的对比度；该DLP投影系统中还增设了光源重复收集装置，对未进入DMD的光和进入DMD后被再次分离出来的平稳状态光和关闭状态的光进行收集再利用，大大提高了光利用率；同时由于采用光纤进行传输，还有效抑制了散斑现象。

附图说明

图1为本发明的DLP投影系统的结构示意图；

图2为光分离器的二维结构示意图；

图3为光分离器的三维结构示意图；

图4～图6为光进入光分离器后不同状态下的光路图，箭头代表光路行进的方向；

图7为光源重复收集装置的结构示意图；

图8为复合抛物面聚光器的设计示意图；

图中：

1-导光棒，2-反光碗，3-光纤，4-DMD，5-投影镜头；

11-LD面光源，12-复合抛物面聚光器，13-GRIN透镜，14-光分离器；

141-光分离器P1，142-第一透镜面，143-光分离器P2，144-第二透镜面。

具体实施方式

为进一步阐明本发明的目的、技术方案和优点，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例

结合各附图对本发明公开的一种高对比度、高光能利用率的DLP投影系统的结构及工作过程进行详细说明如下。

本实施例公开的DLP投影系统包括：导光棒1、DMD 4、投影镜头5和光源重复收集装置；

导光棒1呈长方体形，其内依次整合有LD面光源11、复合抛物面聚光器12、GIRN透镜13和光分离器14；

LD面光源11选择了OSRAM公司专业用于投影机照明的激光光源，选自红、绿、蓝三色光源；红色LD面光源的波长为650nm，功率为0.5w，型号为SPL CG65；绿色LD面光源的波长为520nm，功率为0.5w，型号为PL 520；蓝色LD面光源的波长为450nm，功率为1.6w，型号为PLTB450B。

复合抛物面聚光器12的设计示意图如图8所示，该复合抛物面聚光器12的入射口径CD与导光棒的最大内切圆的直径相同，以便于收集所有的面光源。

GIRN透镜13为渐变折射率透镜，可作为整形透镜将所有的点光源转换为光场均匀的准直光。

光分离器14由光分离器P1 141与光分离器P2 143两部分组成，整体形状为等腰直角三棱镜，光分离器P1与所述光分离器P2采用相同材质，折射率均为n；

光分离器14的尺寸与导光棒1的尺寸相适应，除斜面外的其它各面均与导光棒1的内壁贴合。

光分离器14的斜面记为第一透镜面142，直角面与斜面的夹角为45°。光分离器P1与光分离器P2的接触面记为第二透镜面144，第二透镜面144与靠近投影镜头5一侧的直角面的夹角记为θ_A，光分离器P1与所述光分离器P2间形成了空气隙，厚度为5μm。

根据上式一到四，本实施例中采用的θ_A为74°，n为2。

光源重复收集装置由反光碗2和光纤3组成。

光纤3的一端通过反光碗2与导光棒1连通，一端直接与导光棒1连通。其中，光纤3直接与导光棒1连通的一端，光纤3的出口位于复合抛物面聚光器12的前端。

反光碗2位于GIRN透镜13和光分离器14之间，采用抛物线曲面设计。

DMD 4选自TI公司生产的型号为dlp6500的产品，为了与该DMD进行匹配，采用的投射镜头为高清M12工业小镜头(焦距6.0mm、角度60°、像素600万、相面尺寸1/2.5)。

工作原理：

LD面光源11产生的光经复合抛物面聚光器12后汇聚成点光源，再经GIRN透镜13产生光场均匀的准直光；该准直光进入光分离器14，光线全部通过光分离器P1 141的第一透镜面142，然后光的行走路径分为两部分，其中小部分光未进入DMD 4，而是打到光分离器P2143的表面，即第二透镜面144，通过将光分离器1的折射率n与角θ_A限定为特定数值，从而满足上式一与上式二，使得这部分未进入DMD的光全部反射到第一透镜面142，再全部透射过第一透镜面142后被反光碗2收集后，通过光纤3返回到导光棒1内，从而达到提高光利用率的效果。具体光路图如图4所示。而大部分光到达DMD 4后，经过反射，光线重新回到光分离器14到达第一透镜面142，通过将光分离器1的折射率n与角θ_A限定为特定数值，从而再次满足上式三与上式四。此时，到达第一透镜面142的光线全部被反射到第二透镜面144，并且保证当DMD 4进入开启状态时，光线全部透射过第二透镜面144，进入投影镜头5，光路图如图5所示；而当DMD 4进入平态和关态时，所有的光线再次被第二透镜面144全反射回第一透镜面142，并全部透射过第一透镜面142(光路图如图6所示)后被反光碗2收集，通过光纤3返回到导光棒1内。

可见，通过上述DLP投影系统可以有效减少DMD工作时平稳状态和Off状态的杂散光，有效提高了投影系统的对比度；该DLP投影系统中还增加了由反光碗2和光纤3组成的光源重复收集装置，收集了未进入DMD 4的光和进入DMD 4后被再次分离出来的平稳状态光和关闭状态的光，大大提高了光利用率；同时由于采用光纤进行传输，还抑制了散斑现象。并且，该DLP投影系统采用的元器件少，并将多个元器件整合在导光棒1中，体积小、成本低。