CN205787560U - 一种dlp微投影光机的聚光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学投影装置技术领域，具体指一种DLP微投影光机的聚光系统；包括沿光路依次设置的照明光学系统、复眼或光棒、聚光装置、单片式具有透镜表面的全内反射元件、DMD光调制器和投影光学系统，所述聚光装置包括第一聚光透镜、第二聚光透镜和第三聚光透镜，第一聚光透镜与复眼或光棒对应设置，第二聚光透镜和第三聚光透镜成对配合设置在第一聚光透镜和全内反射元件之间；本实用新型结构合理，采用造价低，体积小、稳定性良好的单片式具有透镜表面的全内反射元件，改善了原有聚光系统难以补偿全内反射元件不对称带来的光程和光通量不对称的问题，使DMD光调制器A、B左右两边光线的聚焦程度更加接近，提高整个系统的稳定性和可靠性。

Description

一种DLP微投影光机的聚光系统

技术领域

本实用新型涉及光学投影装置技术领域，具体指一种DLP微投影光机的聚光系统。

背景技术

目前的微型投影光机大多采用的是美国德州仪器（TI）公司的DLP（Digital LightProjector）技术，其主要图像和光线控制器件一般称为DMD光调制器（DigitalMicromirror Device）。它是一种反射率极高的微型反射镜阵列，需要配合照明光学系统和投影光学系统将通常使用的RGB三原色构成的画面转换成我们人眼易见的投影画面。其中常用的将照明光学系统和投影光学系统组合在一起的方法是使用一具有透镜表面的全内反射元件（通常称为RTIR组合棱镜（Reverse Total Internal Reflection Prism））。

如美国专利第7178920号披露的一种微型化投影显示装置，其包括一光源、一聚光镜、一色轮、一积分柱、一具有透镜表面的全内反射元件、一DMD光调制器，以及一投影镜头，其中具有透镜表面的内全反射元件包括一第一棱镜及一第二棱镜。这种全内反射元件因为造价高、体积大，易损坏等缺点，近年来行业内衍生出一种单片式的具有透镜表面的全内反射元件，通常称为单片直角TIR棱镜（Total Internal Reflection Prism）），该元件造价低、体积小、稳定性良好，正逐渐被业内广泛推广使用。

该单片式的具有透镜表面的全内反射元件（单片直角TIR棱镜）使用时通常需要搭配一特定的聚光系统，如中国专利第204883152U号揭露的一种DLP 微型投影机，包括：照明光学系统，光源、光束整形部件,光束导引部件,DMD光调制器，以及投影透镜组；其中，所述光束整形部件包括：设置在所述光源光路上的聚光透镜组；所述光束导引部件包括：依次设置于聚光透镜组光路上的分光镜片, 自由曲面透镜组及直角棱镜；所述自由曲面透镜组，包括第一自由曲面透镜及第二自由曲面透镜，所述第一自由曲面透镜包括设置在光束入射面的第一曲面和设置在光束出射面的第二曲面，所述第二自由曲面透镜包括设置在光束入射面的第三曲面与设置在光束出射面的第四曲面；射入第一自由曲面透镜第一曲面的光线与第一自由曲面透镜第一曲面的法线形成一定的夹角，射入第二自由曲面透镜第三曲面的光线与第二自由曲面透镜第三曲面的法线亦形成一定的夹角。

如中国专利第202837791U号揭露的一种DLP微型投影机，该DLP微型投影机包括：沿光路顺次设置的供光装置、转换与导向装置、照明光学系统、DMD光调制器和投影镜头系统；供光装置包括：光源和光源准直系统；转换与导向装置包括：复眼透镜或光棒；照明光学系统包括：自由曲面透镜和直角棱镜，直角棱镜的一直角边与DMD光调制器的平面平行并相互靠近，另一个直角边与投影镜头系统的光轴垂直。

如中国专利申请公布第103852960A号揭露的一种投影装置与聚光模组，该聚光模组用以汇聚和转折一入射光束。聚光模组包括一弯曲入光面、一弯曲出光面以及一反射面。弯曲入光面接收入射光束。弯曲出光面配置于来自弯曲入光面的入射光束的传递路径上。反射面配置于入射光束的传递路径上，且位于弯曲入光面与弯曲出光面之间。入射光束中的一光线沿着弯曲入光面的光轴通过弯曲入光面，且沿着相对于弯曲出光面的光轴倾斜的方向从弯曲出光面出射。投影装置有助于缩小整体体积且聚光模组可达到补偿光程的效果。

以上专利中涉及到的聚光模组主要解决的是缩小投影机体积的问题，但在实际产品中都有如下几点问题：1.由单片式具有透镜表面的全内反射元件（通常称为单片直角TIR棱镜）左右两边不对称引起的聚光光路左右两侧光程差不一致导致的聚焦到DMD光调制器上的光线出现比较明显的光照强度一致性较差的问题；2.由单片式具有透镜表面的全内反射元件（通常称为单片直角TIR棱镜）左右两边不对称引起的聚光光路左右两侧光程差不一致导致的聚焦到DMD光调制器上的RGB三原色光斑出现比较明显的错位问题，导致从投影光学系统投射出来的投影画面边沿颜色失真比较明显的问题；3.由单片式具有透镜表面的全内反射元件（通常称为单片直角TIR棱镜）左右两边不对称引起的聚光光路左右两侧光程差不一致导致的聚焦到DMD光调制器上的光线角度不均匀，导致从DMD光调制器上反射出来的光通过投影光学体统后损失比较严重的问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构合理、光线平衡、聚焦准确的DLP微投影光机的聚光系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型所述的一种DLP微投影光机的聚光系统，包括沿光路依次设置的照明光学系统、复眼或光棒、聚光装置、单片式具有透镜表面的全内反射元件（通称为单片直角TIR棱镜）、DMD光调制器和投影光学系统，所述聚光装置包括第一聚光透镜、第二聚光透镜和第三聚光透镜，第一聚光透镜与复眼或光棒对应设置，第二聚光透镜和第三聚光透镜成对配合设置在第一聚光透镜和全内反射元件之间，且所述第二聚光透镜的法线与光路之间夹角为Φ1，则0°≤Φ1≤45°，所述第三聚光透镜的法线与光路之间夹角为Φ2，则0°≤Φ2≤45°。

根据以上方案，所述第一聚光透镜、第二聚光透镜和第三聚光透镜为球面透镜或自由曲面透镜，且透镜的自由曲面由以下公式表述：

其中，Z为曲面高度，X、Y分别为曲面高度在光轴的投影坐标，A1到A9为位置参数，c和k为曲率参数。

根据以上方案，所述第二聚光透镜的光学中心点与光路中心光轴之间的横向偏移值为G1，则-20mm≤G1≤20mm；所述第三聚光透镜的光学中心点与光路中心光轴之间的横向偏移值为G2，则-20mm≤G2≤20mm；所述G1-G2=D1,则-20mm≤D1≤20mm。

根据以上方案，所述第二聚光透镜的光学中心点与第三聚光透镜的光学中心点之间的距离为D2，则0mm≤D2≤100mm。

根据以上方案，所述第二聚光透镜与第三聚光透镜之间相对的自由曲面均为平面，且第二聚光透镜与第三聚光透镜粘合呈一体结构。

根据以上方案，所述照明光学系统包括RGB三原色的LED光源、光束整形部件和光束引导合光部件， RGB三原色的LED光源上分别设有独立的光束整形部件。

本实用新型有益效果为：本实用新型结构合理，采用造价低，体积小、稳定性良好的单片式具有透镜表面的全内反射元件，改善了原有聚光系统难以完美补偿全内反射元件不对称带来的DMD光调制器左右两边光程和光通量不对称的问题，使DMD光调制器A、B左右两边光线的聚焦程度更加接近，进一步提高整个系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的聚光装置的参数示意图。

图中：

1、照明光学系统；2、复眼或光棒； 4、全内反射元件；5、DMD光调制器；6、投影光学系统；11、LED光源；12、光束整形部件；13、光束引导合光部件；31、第一聚光透镜；32、第二聚光透镜；33、第三聚光透镜。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型的技术方案进行说明。

如图1-2所示，本实用新型所述的一种DLP微投影光机的聚光系统，包括沿光路依次设置的照明光学系统1、复眼或光棒2、聚光装置、单片式具有透镜表面的全内反射元件4通称为单片直角TIR棱镜、DMD光调制器5和投影光学系统6，所述聚光装置包括第一聚光透镜31、第二聚光透镜32和第三聚光透镜33，第一聚光透镜31与复眼或光棒2对应设置，第二聚光透镜32与第三聚光透镜33相对成组地设置在第一聚光透镜31和全内反射元件4之间，且所述第二聚光透镜32的法线与光路之间夹角为Φ1，则0°≤Φ1≤45°，所述第三聚光透镜33的法线与光路之间夹角为Φ2，则0°≤Φ2≤45°，Φ1和Φ2可以为同一个角度，即可存在Φ1=Φ2的情况；本实用新型采用造价低、体积小、稳定性良好的单片式具有透镜表面的全内反射元件4，通过三片聚光透镜的组成聚光装置，其中的第二聚光透镜32和第三聚光透镜33通过一定角度和偏移量设置，可有效弥补现有的单片直角TIR棱镜不对称造成的DMD光调制器5左右光程和光通量不对称的问题；所述

所述第一聚光透镜31、第二聚光透镜32和第三聚光透镜33为球面透镜或自由曲面透镜，且透镜的自由曲面由以下公式表述：

其中，Z为曲面高度，X、Y分别为曲面高度在光轴的投影坐标，A1到A9为位置参数，c和k为曲率参数。

所述第二聚光透镜32的光学中心点与光路中心光轴之间的横向偏移值为G1，则-20mm≤G1≤20mm；所述第三聚光透镜33的光学中心点与光路中心光轴之间的横向偏移值为G2，则-20mm≤G2≤20mm，G1和G2可以为同一个数值，即可存在G1=G2的情况，除此之外，所述G1-G2=D1,则-20mm≤D1≤20mm；所述第二聚光透镜（32）和第三聚光透镜（33）的光学中心点分别偏移照明光路的中心光轴一定距离G1和G2，带来的左右光路不对称能够进一步反过来补偿由于单片式具有透镜表面的全内反射元件4不对称带来的DMD光调制器左右两边光程和光通量不对称的问题，也即仍然存在比较严重的DMD光调制器左右两边光学失真不一致的问题，使聚焦到如图2中DMD光调制器A、B左右两边光线的聚焦程度更加接近。

所述第二聚光透镜32的光学中心点与第三聚光透镜33的光学中心点之间的距离为D2，则0mm≤D2≤100mm。

所述第二聚光透镜32与第三聚光透镜33之间相对的自由曲面均为平面，且第二聚光透镜32与第三聚光透镜33粘合呈一体结构。

所述照明光学系统1包括RGB三原色的LED光源11、光束整形部件12和光束引导合光部件13， RGB三原色的LED光源11上分别设有独立的光束整形部件12。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施方式，故凡依本实用新型专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本实用新型专利申请范围内。

Claims (6)

1.一种DLP微投影光机的聚光系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的照明光学系统（1）、复眼或光棒（2）、聚光装置、单片式具有透镜表面的全内反射元件（4）（通称为单片直角TIR棱镜）、DMD光调制器（5）和投影光学系统（6），所述聚光装置包括第一聚光透镜（31）、第二聚光透镜（32）和第三聚光透镜（33），第一聚光透镜（31）与复眼或光棒（2）对应设置，第二聚光透镜（32）与第三聚光透镜（33）相对成组地设置在第一聚光透镜（31）和全内反射元件（4）之间，且所述第二聚光透镜（32）的法线与光路之间夹角为Φ1，则0°≤Φ1≤45°，所述第三聚光透镜（33）的法线与光路之间夹角为Φ2，则0°≤Φ2≤45°。

2.根据权利要求1所述的DLP微投影光机的聚光系统，其特征在于：所述第一聚光透镜（31）、第二聚光透镜（32）和第三聚光透镜（33）为球面透镜或自由曲面透镜，且透镜的自由曲面由以下公式表述：

其中，Z为曲面高度，X、Y分别为曲面高度在光轴的投影坐标，A1到A9为位置参数，c和k为曲率参数。

3.根据权利要求1所述的DLP微投影光机的聚光系统，其特征在于：所述第二聚光透镜（32）的光学中心点与光路中心光轴之间的横向偏移值为G1，则-20mm≤G1≤20mm；所述第三聚光透镜（33）的光学中心点与光路中心光轴之间的横向偏移值为G2，则-20mm≤G2≤20mm；所述G1-G2=D1,则-20mm≤D1≤20mm。

4.根据权利要求3所述的DLP微投影光机的聚光系统，其特征在于：所述第二聚光透镜（32）的光学中心点与第三聚光透镜（33）的光学中心点之间的距离为D2，则0mm≤D2≤100mm。

5.根据权利要求4所述的DLP微投影光机的聚光系统，其特征在于：所述第二聚光透镜（32）与第三聚光透镜（33）之间相对的自由曲面均为平面，且第二聚光透镜（32）与第三聚光透镜（33）粘合呈一体结构。

6.根据权利要求1所述的DLP微投影光机的聚光系统，其特征在于：所述照明光学系统（1）包括RGB三原色的LED光源（11）、光束整形部件（12）和光束引导合光部件（13）， RGB三原色的LED光源（11）上分别设有独立的光束整形部件（12）。