CN117471828A - 一种投影光路结构及投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影光路结构及投影装置，该投影光路结构包括照明镜组、光束转折元件、数字微镜器件芯片以及投影镜头；照明镜组用于将光源出射的光束匀光后入射至光束转折元件，光束经过光束转折元件改变传输方向后入射至数字微镜器件芯片，经过数字微镜芯片调制形成图像光束，图像光束经过投影镜头放大后输出；照明镜组包括从光源到像面依次排列的正光焦度的第一透镜、正光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜和负光焦度的第四透镜，第一透镜和第二透镜背离光源的一侧为非球面，第三透镜和第四透镜为柱面透镜。本发明提供的投影光路结构及投影装置，可以在形成矩形照明光斑的同时获得极高的远场分布均匀性，并且降低了生产难度和成本。

Description

一种投影光路结构及投影装置

技术领域

本发明实施例涉及投影成像技术领域，尤其涉及一种投影光路结构及投影装置。

背景技术

DLP(Digital Light Processing)投影仪光路主要由光源、合光器件、匀光器件及中继系统、DMD(Digital Micromirror Device)芯片以及投影镜头等几大部分组成。照明系统是投影仪系统中至关重要的一部分，它决定整个系统的能量利用率，投影均匀性以及体积，成本等各方面性能。DLP投影照明系统设计主要难点包含准直系统，合光系统，匀光系统及倾斜照明的实现等。

一般来说，投影光机采用复眼透镜进行匀光。复眼透镜又称为蝇眼透镜，由一系列小透镜单元拼合而成。一般复眼透镜采用PMMA(polymethyl methacrylate)或PC(Polycarbonate)这样的光学塑料，复眼小透镜单元的曲率半径越小，其长度也越大，需要选择合适的复眼透镜厚度，以方便生产加工。

复眼小透镜通常要三个以上才有匀光效果，复眼小透镜数目越多，照射面均匀性越好，但实际加工中，复眼小透镜尺寸过小的话，一方面加工难度增大，成本增加，另一方面，小透镜尺寸较小时，复眼过渡区域占有效工作区域的比例增大，使得能量损失增加，除此之外，相较于玻璃材质，PMMA或PC这样的光学塑料耐热性差，导致光路在长时间使用时容易因高温发热而产生虚焦现象。

发明内容

本发明提供一种投影光路结构及投影装置，可以在形成矩形照明光斑的同时获得极高的远场分布均匀性，除此之外，还降低了加工难度和成本、减少了能量损失。

根据本发明的一方面，提供了一种投影光路结构，包括照明镜组、光束转折元件、数字微镜器件芯片以及投影镜头；

所述照明镜组用于将光源出射的光束匀光后入射至所述光束转折元件，所述光束经过所述光束转折元件改变传输方向后入射至所述数字微镜器件芯片，经过所述数字微镜芯片调制形成图像光束，所述图像光束经过所述投影镜头放大后输出；

其中，所述照明镜组包括从光源到像面依次排列的具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜和具有负光焦度的第四透镜，所述第一透镜和所述第二透镜背离所述光源一侧的表面为非球面，所述第三透镜和所述第四透镜为柱面透镜。

可选的，所述第一透镜至所述第四透镜的光焦度满足：

其中，表示所述第一透镜的光焦度，/>表示所述第二透镜的光焦度，/>表示所述第三透镜的光焦度，/>表示所述第四透镜的光焦度。

可选的，所述第一透镜至所述第四透镜的折射率和阿贝数满足：

0.025≤n1/v1≤0.026；

0.025≤n2/v2≤0.026；

0.023≤n3/v3≤0.024；

0.023≤n4/v4≤0.024；

其中，n1表示所述第一透镜的折射率，v1表示所述第一透镜的阿贝数，n2表示所述第二透镜的折射率，v2表示所述第二透镜的阿贝数，n3表示所述第三透镜的折射率，v3表示所述第三透镜的阿贝数，n4表示所述第四透镜的折射率，v4表示所述第四透镜的阿贝数。

可选的，所述光束转折元件包括平面反射镜，所述照明镜组出射的光束，经过所述平面反射镜反射后入射至所述数字微镜器件芯片，所述数字微镜芯片出射的光束入射至所述投影镜头；或者

所述光束转折元件包括棱镜，所述照明镜组出射的光束，经过所述棱镜折射后入射至所述数字微镜器件芯片，所述数字微镜芯片出射的光束再次入射至所述棱镜，经过所述棱镜内的反射面反射后入射至所述投影镜头。

可选的，所述第三透镜和所述第四透镜均为玻璃柱面透镜。

可选的，所述第三透镜和/或所述第四透镜的表面设置有增透膜。

可选的，所述投影镜头包括从光源到像面依次排列的具有正光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜、具有负光焦度的第九透镜、具有负光焦度的第十透镜、具有负光焦度的第十一透镜、具有正光焦度的第十二透镜和具有正光焦度的第十三透镜。

可选的，所述第五透镜至所述第十三透镜满足：

其中，表示所述第五透镜的光焦度，/>表示所述第六透镜的光焦度，/>表示所述第七透镜的光焦度，/>表示所述第八透镜的光焦度，/>表示所述第九透镜的光焦度，表示所述第十透镜的光焦度，/>表示所述第十一透镜的光焦度，/>表示所述第十二透镜的光焦度，/>表示所述第十三透镜的光焦度，Φ表示所述投影镜头的光焦度。

可选的，所述第五透镜至所述第十三透镜满足：

0.030≤n5/v5≤0.031；0.033≤n6/v6≤0.034；

0.035≤n7/v7≤0.036；0.066≤n8/v8≤0.067；

0.026≤n9/v9≤0.027；0.070≤n10/v10≤0.071；

0.027≤n11/v11≤0.028；0.026≤n12/v12≤0.027；

0.026≤n13/v13≤0.027；

其中，n5表示所述第五透镜的折射率，v5表示所述第五透镜的阿贝数，n6表示所述第六透镜的折射率，v6表示所述第六透镜的阿贝数，n7表示所述第七透镜的折射率，v7表示所述第七透镜的阿贝数，n8表示所述第八透镜的折射率，v8表示所述第八透镜的阿贝数，n9表示所述第九透镜的折射率，v9表示所述第九透镜的阿贝数，n10表示所述第十透镜的折射率，v10表示所述第十透镜的阿贝数，n11表示所述第十一透镜的折射率，v11表示所述第十一透镜的阿贝数，n12表示所述第十二透镜的折射率，v12表示所述第十二透镜的阿贝数，n13表示所述第十三透镜的折射率，v13表示所述第十三透镜的阿贝数。

根据本发明的另一方面，提供了一种投影装置，包括光源和第一方面任一所述的投影光路结构。

本发明公开了一种投影光路结构及投影装置，该投影光路结构包括照明镜组、光束转折元件、数字微镜器件芯片以及投影镜头；照明镜组用于将光源出射的光束匀光后入射至光束转折元件，光束经过光束转折元件改变传输方向后入射至数字微镜器件芯片，经过数字微镜芯片调制形成图像光束，图像光束经过投影镜头放大后输出；其中，照明镜组包括从光源到像面依次排列的具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜和具有负光焦度的第四透镜，第二透镜为非球面透镜，第三透镜和第四透镜为柱面透镜。本发明提供的投影光路结构及投影装置，可以在形成矩形照明光斑的同时获得极高的远场分布均匀性，并且降低了生产难度和成本。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种投影光路结构的示意图；

图2为本发明实施例提供的投影光路结构的投影效果示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种投影光路结构的示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种投影光路结构的投影效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种投影光路结构的示意图。参考图1，本发明实施例提供的投影光路结构包括照明镜组1、光束转折元件2、数字微镜器件芯片3以及投影镜头4，照明镜组1用于将光源(图中未示出)出射的光束匀光后入射至光束转折元件2，光束经过光束转折元件2改变传输方向后入射至数字微镜器件芯片3，经过数字微镜器件芯片3调制形成图像光束，图像光束经过投影镜头4放大后输出；其中，照明镜组1包括从光源到像面依次排列的具有正光焦度的第一透镜10、具有正光焦度的第二透镜20、具有正光焦度的第三透镜30和具有负光焦度的第四透镜40，第一透镜10和第二透镜20背离光源一侧的表面为非球面，第三透镜30和第四透镜40为柱面透镜。

具体的，光焦度等于像方光束汇聚度与物方光束汇聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。光焦度的绝对值越大，对光线的弯折能力越强，光焦度的绝对值越小，对光线的弯折能力越弱。光焦度为正数时，光线的屈折是汇聚性的；光焦度为负数时，光线的屈折是发散性的。光焦度可以适用于表征一个透镜的某一个折射面(即透镜的一个表面)，可以适用于表征某一个透镜，也可以适用于表征多个透镜共同形成的系统(即照明镜组)。第一透镜10和第二透镜20背离光源的一侧为非球面，本发明实施例使用非球面能够改善图像质量，减少所需的元件数量，同时降低光学设计的成本，第三透镜30和第四透镜40为柱面透镜，柱面透镜有一个柱面表面，不同于球面透镜，球面透镜对入射光在两个方向上的作用是对称的，而柱面透镜对入射光只有一个方向上的作用。它可以将平行或发散光束聚集到线上或改变像的宽高比，它们有平-凸和平-凹两种结构，两者分别用于会聚或发散光束。平凸柱面透镜会将入射光线聚焦到线上，焦距为正，由一个平面和凸柱面组成，平凹柱面透镜由一个平面和凹柱组成，其焦距为负。

本发明实施例提供的投影光路结构的工作原理如下：

光源发出的发散光束入射至照明镜组1中，经过第一透镜10、第二透镜20(即非球面透镜)、第三透镜30和第四透镜40(柱面透镜)对发散光束进行匀光处理后入射至光束转折元件2，光束转折元件2可以改变光束传播路径，光束转折元件2在增加光束的光程的同时有利于减小体积，将光束传输至数字微镜器件芯片3(数字微镜器件芯片又叫做DMD(Digital Micromirror Devices)芯片，是一种电子输入、光学输出的微机电系统，DMD芯片的基本工作原理是利用微镜装置来控制光的反射方向，从而实现光的调制)，通过数字微镜器件芯片3对光束进行调制并形成图像光束，图像光束再经过投影镜头4放大后输出至成像面J。

本发明实施例提供的投影光路结构通过将光源出射的光束匀光后入射至光束转折元件，光束经过光束转折元件改变传输方向后入射至数字微镜器件芯片，经过数字微镜芯片调制形成图像光束，图像光束经过投影镜头放大后输出成像面，相较于复眼透镜来说，柱面透镜(第三透镜和第四透镜)在可见光波段的透过率更高，最终到达数字微镜器件芯片上的光能损失较少，成像的通透性更好，可以降低加工难度，减少成本。定制柱面透镜所需的成本低于定制复眼透镜的成本。

可选的，第一透镜10至第四透镜40的光焦度满足： 其中，/>表示第一透镜10的光焦度，/>表示第二透镜20的光焦度，/>表示第三透镜30的光焦度，/>表示第四透镜40的光焦度。可选的，第一透镜10至第四透镜40的折射率和阿贝数满足0.025≤n1/v1≤0.026；0.025≤n2/v2≤0.026；0.023≤n3/v3≤0.024；0.023≤n4/v4≤0.024；其中，n1表示第一透镜的折射率，v1表示第一透镜的阿贝数，n2表示第二透镜的折射率，v2表示第二透镜的阿贝数，n3表示第三透镜的折射率，v3表示第三透镜的阿贝数，n4表示第四透镜的折射率，v4表示第四透镜的阿贝数。通过设置第一透镜10至第四透镜40满足以上参数，可以有效的矫正色差，提升性能。

可选的，继续参考图1，光束转折元件2包括平面反射镜21，照明镜组1出射的光束，经过平面反射镜21反射后入射至数字微镜器件芯片3，数字微镜芯片3出射的光束入射至投影镜头4，光束再经过投影镜头4放大后输出至成像面J。

可选的，投影镜头4包括从光源到像面依次排列的具有正光焦度的第五透镜50、具有正光焦度的第六透镜60、具有正光焦度的第七透镜70、具有负光焦度的第八透镜80、具有负光焦度的第九透镜90、具有负光焦度的第十透镜100、具有负光焦度的第十一透镜110、具有正光焦度的第十二透镜120和具有正光焦度的第十三透镜130。

可选的，第五透镜50至第十三透镜130满足：

其中，表示第五透镜50的光焦度，/>表示第六透镜60的光焦度，/>表示第七透镜70的光焦度，/>表示第八透镜80的光焦度，/>表示第九透镜90的光焦度，/>表示第十透镜100的光焦度，/>表示第十一透镜110的光焦度，/>表示第十二透镜的光焦度，表示第十三透镜的130光焦度，Φ表示投影镜头4的光焦度。

可选的，第五透镜50至第十三透镜130满足：0.030≤n5/v5≤0.031；0.033≤n6/v6≤0.034；0.035≤n7/v7≤0.036；0.066≤n8/v8≤0.067；0.026≤n9/v9≤0.027；0.070≤n10/v10≤0.071；0.027≤n11/v11≤0.028；0.026≤n12/v12≤0.027；0.026≤n13/v13≤0.027；其中，n5表示第五透镜50的折射率，v5表示第五透镜50的阿贝数，n6表示第六透镜60的折射率，v6表示第六透镜60的阿贝数，n7表示第七透镜70的折射率，v7表示第七透镜70的阿贝数，n8表示第八透镜80的折射率，v8表示第八透镜80的阿贝数，n9表示第九透镜90的折射率，v9表示第九透镜90的阿贝数，n10表示第十透镜900的折射率，v10表示第十透镜100的阿贝数，n11表示第十一透镜110的折射率，v11表示第十一透镜110的阿贝数，n12表示第十二透镜120的折射率，v12表示第十二透镜120的阿贝数，n13表示第十三透镜130的折射率，v13表示第十三透镜130的阿贝数。

具体的，本发明实施例体提供的投影光路结构的整个光路物理参数如下表1所示：

表1：本发明实施例提供的投影光路结构光学物理参数表

表1中的面序号根据光束模拟时的表面顺序来进行编号，其中“0”表示光源的出光面，面型用“Object”表示，“1”表示第一透镜10的前表面，“2”表示第一透镜20的后表面，依次类推；“Standard”表示球面，“Even asphere”表示偶次非球面，“Stop”表示光路模拟时的虚拟中断面，“Coordinate break”表示光路模拟时的坐标间断面，虚拟中断面和坐标间断面不是实际表面，“Toroidal”表示柱状透镜表面，“Mirror”表示平面反射镜表面，“us_mems(mirror)”表示DMD表面，“Image”表示像面；曲率半径表示镜片表面的弯曲程度，正值表示该表面弯向像面一侧，负值表示该表面弯向物面一侧，单位为mm，“Infinity”表示无穷大，即平面或虚拟平面；厚度表示当前表面到下一表面的中心轴向距离，单位为mm，Nd表示折射率，折射率表示当前表面到下一表面之间的材料对光线的偏折能力表示；Vd表示阿贝数，阿贝数表示当前表面到下一表面之间的材料对光线的色散特性。

其中非球面表面形状方程z满足：

光轴方向在高度为y的位置时，距非球面顶点的距离矢高；r表示镜面的近轴曲率半径；k为圆锥系数；A、B、C、D、E、F、G为高次非球面系数。

非球面系数数据如下表所示：

表2：本发明实施例提供的投影光路结构非球面系数数据表

图2为本发明实施例提供的投影光路结构的投影效果示意图，由图2可知，本发明实施例提供的投影光路结构可以形成具有良好均匀性的矩形光斑。

图3为本发明实施例提供的另一种投影光路结构的示意图，可选的，光束转折元件2包括棱镜22，照明镜组1出射的光束，经过棱镜22折射后入射至数字微镜器件芯片3，数字微镜芯片3出射的光束再次入射至棱镜22，经过棱镜22内的反射面反射后入射至投影镜头4。

具体的，本发明实施例体提供的投影光路结构的整个光路物理参数如下表3所示：

表3：本发明实施例提供的另一种投影光路结构光学物理参数表表3中的面序号根据光束模拟时的表面顺序来进行编号，其中“0”表示光源的出光面，面型用“Object”表示，“1”表示第一透镜10的前表面，“2”表示第一透镜20的后表面，依次类推；“Standard”表示球面，“Even asphere”表示偶次非球面，“Stop”表示光路模拟时的虚拟中断面，“Coordinatebreak”表示光路模拟时的坐标间断面，虚拟中断面和坐标间断面不是实际表面，“Toroidal”表示柱状透镜表面，“Mirror”表示棱镜内的反射面，“us_mems(mirror)”表示DMD表面，“Image”表示像面；曲率半径表示镜片表面的弯曲程度，正值表示该表面弯向像面一侧，负值表示该表面弯向物面一侧，单位为mm，“Infinity”表示无穷大，即平面或虚拟平面；厚度表示当前表面到下一表面的中心轴向距离，单位为mm，Nd表示折射率，折射率表示当前表面到下一表面之间的材料对光线的偏折能力表示；Vd表示阿贝数，阿贝数表示当前表面到下一表面之间的材料对光线的色散特性。

非球面系数数据如下：

表4：本发明实施例提供的另一种投影光路结构非球面系数数据表可选的，第三透镜30和第四透镜40均为玻璃柱面透镜。

本发明实施例中的第三透镜和第四透镜采用玻璃柱面透镜，玻璃材质的物理和化学稳定性远好于塑胶镜片，因此，在温度等条件变化时，玻璃材质光学参数的变化较塑胶材质要小很多，能更好地适用于各种恶劣环境中，同时玻璃材质不容易老化变形，使用寿命更长。

可选的，第三透镜30和/或第四透镜40的表面设置有增透膜。

具体的，第三透镜30和/或第四透镜40的表面镀有一层增透膜可以增加光束的透过率。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种投影装置，包括光源和上述任一实施例的投影光路结构。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种投影光路结构，其特征在于，包括照明镜组、光束转折元件、数字微镜器件芯片以及投影镜头；

所述照明镜组用于将光源出射的光束匀光后入射至所述光束转折元件，所述光束经过所述光束转折元件改变传输方向后入射至所述数字微镜器件芯片，经过所述数字微镜芯片调制形成图像光束，所述图像光束经过所述投影镜头放大后输出；

其中，所述照明镜组包括从光源到像面依次排列的具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜和具有负光焦度的第四透镜，所述第一透镜和所述第二透镜背离所述光源一侧的表面为非球面，所述第三透镜和所述第四透镜为柱面透镜。

2.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于，所述第一透镜至所述第四透镜的光焦度满足：

1.78≤φ1/φ2≤1.79；

0.77≤φ3/φ2≤0.78；

-1.23≤φ4/φ3≤-1.22；

其中，φ1表示所述第一透镜的光焦度，φ2表示所述第二透镜的光焦度，φ3表示所述第三透镜的光焦度，φ4表示所述第四透镜的光焦度。

3.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于，所述第一透镜至所述第四透镜的折射率和阿贝数满足：

0.025≤n1/v1≤0.026；

0.025≤n2/v2≤0.026；

0.023≤n3/v3≤0.024；

0.023≤n4/v4≤0.024；

其中，n1表示所述第一透镜的折射率，v1表示所述第一透镜的阿贝数，n2表示所述第二透镜的折射率，v2表示所述第二透镜的阿贝数，n3表示所述第三透镜的折射率，v3表示所述第三透镜的阿贝数，n4表示所述第四透镜的折射率，v4表示所述第四透镜的阿贝数。

4.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于，所述光束转折元件包括平面反射镜，所述照明镜组出射的光束，经过所述平面反射镜反射后入射至所述数字微镜器件芯片，所述数字微镜芯片出射的光束入射至所述投影镜头；或者

所述光束转折元件包括棱镜，所述照明镜组出射的光束，经过所述棱镜折射后入射至所述数字微镜器件芯片，所述数字微镜芯片出射的光束再次入射至所述棱镜，经过所述棱镜内的反射面反射后入射至所述投影镜头。

5.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于，所述第三透镜和所述第四透镜均为玻璃柱面透镜。

6.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于，所述第三透镜和/或所述第四透镜的表面设置有增透膜。

7.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于，所述投影镜头包括从光源到像面依次排列的具有正光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜、具有负光焦度的第九透镜、具有负光焦度的第十透镜、具有负光焦度的第十一透镜、具有正光焦度的第十二透镜和具有正光焦度的第十三透镜。

8.根据权利要求7所述的投影光路结构，其特征在于，所述第五透镜至所述第十三透镜满足：

0.46≤φ5/φ6≤0.47；

-3.85≤φ8/φ7≤-3.83；

0.18≤φ9/φ8≤0.19；

11≤φ10/φ11≤11.1；

1.84≤(φ12+φ13)/Φ≤1.85；

其中，φ5表示所述第五透镜的光焦度，φ6表示所述第六透镜的光焦度，φ7表示所述第七透镜的光焦度，φ8表示所述第八透镜的光焦度，φ9表示所述第九透镜的光焦度，φ10表示所述第十透镜的光焦度，φ11表示所述第十一透镜的光焦度，φ12表示所述第十二透镜的光焦度，φ13表示所述第十三透镜的光焦度，Φ表示所述投影镜头的光焦度。

9.根据权利要求7所述的投影光路结构，其特征在于，所述第五透镜至所述第十三透镜满足：

0.030≤n5/v5≤0.031；0.033≤n6/v6≤0.034；

0.035≤n7/v7≤0.036；0.066≤n8/v8≤0.067；

0.026≤n9/v9≤0.027；0.070≤n10/v10≤0.071；

0.027≤n11/v11≤0.028；0.026≤n12/v12≤0.027；

0.026≤n13/v13≤0.027；

其中，n5表示所述第五透镜的折射率，v5表示所述第五透镜的阿贝数，n6表示所述第六透镜的折射率，v6表示所述第六透镜的阿贝数，n7表示所述第七透镜的折射率，v7表示所述第七透镜的阿贝数，n8表示所述第八透镜的折射率，v8表示所述第八透镜的阿贝数，n9表示所述第九透镜的折射率，v9表示所述第九透镜的阿贝数，n10表示所述第十透镜的折射率，v10表示所述第十透镜的阿贝数，n11表示所述第十一透镜的折射率，v11表示所述第十一透镜的阿贝数，n12表示所述第十二透镜的折射率，v12表示所述第十二透镜的阿贝数，n13表示所述第十三透镜的折射率，v13表示所述第十三透镜的阿贝数。

10.一种投影装置，其特征在于，包括光源和权利要求1～9任一所述的投影光路结构。