CN118033881A - 一种微透镜阵列与tir透镜组合式准直系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统，系统包括TIR透镜部分、微透镜阵列部分。TIR透镜部分的作用是将光源发出光线无论大小角度都垂直于透镜出射。微透镜阵列部分的作用是将出射的光斑由不均匀圆形变为相对均匀矩形，实现光斑整形。该系统可降低DLP投影系统成本，实现投影系统小型化，提升微型投影系统精度，解决投影系统光斑与芯片不匹配的问题。

Description

一种微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统

技术领域

本发明涉及一种微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统，尤其涉及DLP投影光学系统准直技术领域，属于光学设计领域。

背景技术

DLP投影光学系统主要由成像模块和照明模块组成，照明模块作为整个系统的光学引擎，它的性能优劣对整个系统的成像质量以及光效起着至关重要的作用。照明模块又包括准直、匀光、合束、聚焦四个部分，且照明模块需要呈现在芯片表面的光斑为矩形。LED作为投影照明系统的光源相对于传统照明光源具有节能、环保、使用寿命长、反应速度快等优点，其中，LED光源直接输出的光束角较大，并且光线比较发散，在进行远距离照明时，目标上接收到的光线比较小，且LED直接照明形成的光斑为不均匀圆形光斑。

TIR透镜也称为全内反射准直透镜，其设计基于全内反射的原理，能够将来自孔径中的每一点的光线变成一束平行的光线，这样，原本较大的光束角可以被TIR透镜约束到一个较小的范围，从而有利于减小光束发散角度，实现光束准直、提高光能的利用率。

DLP投影系统中照明模块使用LED有优势，但是准直性、匀光性以及光斑不匹配对照明模块的影响也非常重大。为了保证照明模块的准直性、匀光性，以及解决出射光斑与芯片匹配的问题。本发明提出了一种微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统，将TIR透镜与微透镜阵列结合应用在DLP投影系统照明模块中，通过包含自由曲面的TIR透镜对LED所发出的光线进行准直，可以做到不同角度下的光束可以被约束到一个较小的范围，从而做到光线准直，提高光能利用率。微透镜阵列中单个微透镜为平凸柱面镜，微透镜阵列长宽比可根据芯片长宽比变换，实现呈现在DLP投影系统芯片上的光斑由不均匀圆形光斑变为为相对均匀的矩形光斑。这有助于减小DLP投影系统体积和提高投影系统的投影质量。

发明内容

本发明为一种微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统，包括TIR透镜和微透镜阵列，其中TIR透镜能够对光源发出的光线进行准直，微透镜阵列起到对光斑整形与匀化的作用。所述TIR透镜与传统TIR透镜不同，其内侧面采用自由曲面结构，可以增加光线的利用率且减小整个TIR透镜的体积；所述TIR透镜为旋转对称结构，所述TIR透镜旋转对称轴的一端设置有光源，所述微透镜阵列装设在TIR透镜的旋转对称轴的另一端，所述的微透镜阵列由多个平凸柱面镜排列而成，所述平凸柱面镜排列方式根据DLP投影系统中芯片的长宽比而定。

所述TIR透镜包括内侧面、TIR面、内表面及出光外表面，TIR透镜用于调整所述光源发出的光线使光线垂直于出光外表面且平行出射；所述内侧面为自由曲面且位于所述TIR透镜的中心位处两侧，内侧面为自由曲面可提高光线的利用率且具有更高的灵活度，当大角度光线进入TIR透镜的内侧面可以使得较多的光线进行准直，减少了光线的丢失；所述TIR面为两侧弧形侧壁，分别位于TIR透镜的外部两侧；所述内表面位于TIR透镜中心正对光源处；所述出光外表面位于TIR透镜最上端，远离光源一侧；且所述TIR面与所述内表面、内侧面围合成容置腔，所述容置腔用于放置所述光源，所述TIR面的另一端朝向远离所述容置腔的一侧延伸，并与所述出光面相连。

所述的微透镜阵列与TIR透镜出光外表面重合，由TIR透镜准直后的光线进入微透镜阵列，微透镜阵列可以在接收到准直光线后形成矩形光斑；所述微透镜阵列由多个微透镜组成，单个微透镜为平凸柱面镜，单个平凸柱面镜在接收光线后所形成了相对均匀的长条状光斑，增大焦距时，光斑宽度也会随之增大，平凸柱面镜排列成微透镜阵列的方式可依据DLP投影系统中芯片的长宽比，排列后的微透镜阵列可形成符合DLP投影系统芯片的矩形光斑；当改变多个平凸柱面镜所构成的微透镜阵列在TIR透镜出光外表面的排列方式时，最终形成的光斑形状会发生相应的变化；所述微透镜阵列与所述TIR准直透镜的连接方式为光学胶连接，光学胶连接可以减少空气与玻璃的分界面个数,从而减少了光能损失,增加光斑亮度。

附图说明

图1为本发明提供的微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统示意图

图2为本发明提供的TIR透镜仿真光线示意图

图3为本发明提供的单个微透镜示意图

图4为本发明提供的单个微透镜光斑点列图

图5为本发明提供的微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统光斑整形示意图

其中，01为光源，02为TIR透镜，03为微透镜阵列，04为单个微透镜，05为旋转对称轴，21为内侧面，22为TIR面，23为内表面，24为出光外表面，41为凸透镜，42为矩形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方案作进一步详细描述。以下实施或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明提供的一种微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统的结构示意图，包括TIR透镜02，微透镜阵列03。

其中，TIR透镜02与微透镜阵列03采用光学胶连接，TIR透镜02为旋转对称结构，所述微透镜阵列03装设在所述TIR透镜02的旋转对称轴05的一端，所述TIR透镜02的旋转对称轴05、微透镜阵列03的中轴线与所述光源的光轴相互重合。

具体的，所述TIR透镜02内设置有多个用于调节光线准直出光的光学曲面，包括具有较高灵活性的自由曲面；所述微透镜阵列03上有多个相同的单个微透镜，可以根据芯片长宽比，在所述微透镜阵列上设置成不同的单个微透镜排列方式，通过不同的排列方式，能够形成不同的矩形光斑，以解决DLP投影系统芯片与光斑不匹配的问题；与现有技术相比，本发明的技术方案通过所述微透镜阵列03与所述TIR透镜02的组合，不仅可以实现光线的准直，还可以通过所述微透镜阵列03，实现由圆形光斑变为矩形光斑，实现光斑整形。

图2为本发明提供的TIR透镜的仿真光线示意图。本发明中的光源01可为LED光源，LED光源节能且环保，光源01主要为TIR透镜02提供照明光线；TIR透镜02包括内侧面21，TIR面22，内表面23，出光外表面24。具体的，内侧面21为自由曲面，自由曲面的使用可增加光线的利用率，两边的内侧面21分别与内表面相连，且连接合成容置腔，容置腔用于放置光源01；TIR面22的两侧弧形分别与两边的内侧面21相连，并与出光外表面24相连；出光外表面24位于内表面23正上方，远离光源01的一侧。

进一步地，当光源01发出较小角度的光线时，该光线入射到内表面23，内表面23对小角度的光线进行约束和准直，并垂直于出光外表面24出射，具体的，较小角度光线的光路路径可以沿图2中的箭头b方向所示；当光源01发出较大角度的光线时，该光线向外发散，入射到内侧面21上，由于内侧面21为自由曲面，具有更加精细的光束控制能力，以实现更多的光线穿过内侧面21折射发出，并再次入射到TIR面22上发生全反射，最终垂直于出光外表面24出射，具体的，较大角度的光线的光路路径可以沿图2中的箭头c方向所示。

其中，光源01具有光源点A，内表面23中心部与光源点正对设置，这样，从光源点发出的光线，沿垂直于内表面23发射，入射至出光外表面的中心部，并沿垂直于出光外表面方向垂直出射，该光线在发射过程中不发生偏折，具体的，该中心光线的光路路径可以沿图2中的箭头a方向所示。

因此，本发明的TIR透镜02，基于全内反射的原理，能够将来自光源的光线变成平行的光线，这样，原本较大的光束角可以被TIR透镜02约束到一个较小的范围，从而有利于减小光束发散角度，实现光束准直、提高光能的利用率。

图3为本发明提供的单个微透镜示意图，图4为本发明提供的单个微透镜光斑点列图，其中所述的单个微透镜04是以矩形42为底和顶部凸透镜41组成的平凸柱面镜。

具体的，所述单个微透镜为平凸柱面镜，平凸柱面镜在接收到准直后的光线可形成长条状光斑，且光斑相对均匀分布，具体的，如图4所示，所述的单个微透镜04在接收光线后形成相对均匀的长条状光斑，当改变单个微透镜04的焦距时，长条状光斑也会发生变化，增大焦距时，光斑宽度增大；由单个微透镜04在TIR透镜02出光外表面24上进行排列，可形成微透镜阵列03，随之单个微透镜04的长条状光斑也进行排列形成相对均匀的矩形光斑。

本实施例中，单个微透镜04顶部凸透镜41的材料为BK7。

图5为本发明提供的微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统光斑整形图，所述光源01发出光线，所述的TIR透镜02先进行光线准直，所述的微透镜阵列03在接收到准直后的光线进行光斑整形。所述微透镜阵列03由多个单个微透镜04排列而成，准直后的光线经过排列的微透镜阵列03实现光斑整形，由最初的不均匀圆形光斑变为符合芯片长宽比的相对均匀的矩形光斑。具体的，参见图5所示，所述的单个微透镜04排列成微透镜阵列03的方式可根据DLP投影系统的芯片而定，芯片的长宽比为定值，即可根据芯片长宽比来排列微透镜阵列03的长X，宽Y。进一步地，当使用不同的芯片，即芯片长宽比发生变化时，也可通过调节单个微透镜04的排列方式，使得微透镜阵列03的长宽比与芯片长宽比一致，从而做到呈现在芯片表面的矩形光斑与芯片匹配。

在本实施例中，所述微透镜阵列03与所述的TIR透镜02的连接方式为光学胶连接。所用的光学胶为加拿大胶，加拿大胶连接微透镜阵列03和TIR透镜02，结合面没有任何介质,从而减少了光能损失,增加光斑亮度，同时加拿大胶不易变形，耐寒性和耐热性好。所以本发明在使用光学胶连接时所述微透镜阵列03与所述TIR透镜02要确保两者的光轴重合，使用光学胶连接使得在不同投影照明系统芯片需求下，更换不同的微透镜阵列，以满足均匀度和矩形光斑大小的要求，使微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统更具有灵活性。

Claims (7)

1.一种微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统，其特征在于，包括TIR透镜和微透镜阵列，所述TIR透镜为旋转对称结构，旋转对称轴的一端设置有光源，另一端设置有所述微透镜阵列，所述TIR透镜内设置有多个用于调节光线准直出光的光学曲面，所述微透镜阵列由多个平凸柱面镜组成。

2.根据权利要求1所述的微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统，其特征在于，所述TIR透镜内设置有内侧面、TIR面、内表面、出光外表面；所述TIR透镜可将光源射入的无论大小角度的光线垂直出射，实现光线准直。

3.根据权利要求1所述的微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统，其特征在于，所述TIR透镜两边内侧面均为自由曲面。

4.根据权利要求1所述的微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统，其特征在于，所述微透镜阵列由多个平凸柱面镜组成，可实现由不均匀圆形光斑到相对均匀矩形光斑的整形。

5.根据权利要求1所述的微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统，其特征在于，所述微透镜阵列中单个微透镜结构为底面是矩形，出光面是凸透镜的平凸柱面镜，光线穿过可形成相对均匀的长条状光斑，当改变平凸柱面镜焦距时光斑也会发生变化。

6.根据权利要求1所述的微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统，其特征在于，所述微透镜阵列中，可根据不同的芯片长宽比，改变单个微透镜在所述TIR透镜出光外表面的排列方式，形成与投影系统芯片长宽比一致的微透镜阵列，最终形成不同的矩形光斑。

7.根据权利要求1所述的微透镜阵列与TIR透镜组合式准直系统，其特征在于，所述微透镜阵列与所述TIR透镜的连接方式为用光学胶连接。