CN105867058A - 一种投影机的多光源耦合光学*** - Google Patents

一种投影机的多光源耦合光学*** Download PDF

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潘海俊
唐培�
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Abstract

本发明公开了一种投影机的多光源耦合光学***，包括上下并列排放的多根不同长度的实心导光棒和排列在实心导光棒后方的空心导光棒，所述实心导光棒具有一个倾斜入射面和一个垂直出射面，所述空心导光棒的两端分别设有垂直于侧面的入射面和出射面，所述多根实心导光棒的侧面彼此贴合，实心导光棒的出射面与空心导光棒的入射面贴合，多根实心导光棒出射面的面积之和等于空心导光棒入射面的面积，每根实心导光棒的侧面均设置有一个光源；本发明将两个或多个投影灯泡的光耦合到了一起，从根源上提高了投影机的亮度，同时将投影灯泡的椭圆形光斑整形为长方形，并通过合理设计导光棒的长度，将出射方形光斑的照度均匀性提高到了95％以上。

Description

一种投影机的多光源耦合光学***
技术领域
本发明属于光学领域，具体涉及一种投影机的多光源耦合光学***，该光学***主要用于基于DLP的双灯或多灯投影显示设备中。
背景技术
近年来投影机市场已推出不同亮度的投影产品，主要应用于家庭娱乐、商务会演、游戏模拟、展览标牌、剧院等领域，在这些应用领域中，很多应用要求投影机（工程投影机、数字电影放映机等）具有较高的亮度。
光学引擎是投影显示光学***结构中的核心，而照明***则占据了光学引擎相当大的一块成本。照明***是投影机光学***结构的重要组成部分，决定着***的能量利用率、照明均匀性以及对比度等性能。
光学引擎***中，影响能量利用率的主要因素包括光源的输出光通量分布、照明***结构、***的数值孔径限制以及各种光学元件的透反射和吸收损耗等等。其中由于目前设计方式的局限和材料选用的限制，光学元件自身引起的量损耗可改善程度很小，而***的数值孔径主要由空间光调制器的特性和投影物镜的数值孔径所限制，如果需要较大的提高，会以影响像质为代价。
光源发出的光是具有一定发散角的圆形或椭圆形光斑，而投影需要的光斑为4：3或16：9的方形光斑，因此，需要对光源发出的光斑进行整形，将光斑由圆形光斑变为需要的方形光斑。
复眼透镜照明***和导光棒照明***都可以将圆形光斑转化为方形光斑。其基本原理都是将单一的光源成像为二维的光源阵列，并将光源阵列的像叠加，以实现高均匀性的照明光斑。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，提供一种可将双灯或多灯发出的光束通过多根实心导光棒耦合到一根空心导光棒中，从而输出高亮度的照度均匀的方形照明光斑的多光源耦合光学***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种投影机的多光源耦合光学***，包括上下并列排放的多根不同长度的实心导光棒和排列在实心导光棒后方的空心导光棒，所述实心导光棒的一端具有一个与侧面呈一定夹角的倾斜入射面，另一端具有一个与侧面垂直的出射面，所述空心导光棒的两端分别设有垂直于侧面的入射面和出射面，所述多根实心导光棒的侧面彼此贴合，实心导光棒的出射面与空心导光棒的入射面贴合，多根实心导光棒出射面的面积之和等于空心导光棒入射面的面积，每根实心导光棒的侧面均设置有一个光源。
所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其实心导光棒的入射面倾角为45°，所述的入射面镀有内反射膜。
所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其实心导光棒的入射面的宽高比均为a/2：b，所述的空心导光棒的入射面的宽高比为a：b。
所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其空心导光棒的宽高比为16：9或16：10或4：3。
所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其实心导光棒包括上下并排的第二实心导光棒和第一实心导光棒，所述第一实心导光棒的长度大于第二实心导光棒。
所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其第一实心导光棒为5×4×115mm的石英玻璃棒或K9玻璃棒；第二实心导光棒为5×4×15mm的石英玻璃棒或K9玻璃棒。
所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其空心导光棒由镜面反射率大于99％的四个长条状反射镜胶合而成。空心导光棒的内径尺寸为5×8×15mm。
本发明的有益效果是：
1、本发明中第一实心导光棒和第二实心导光棒的入射面均带45°反射面，光源均位于实心导光棒的侧面，光束由实心导光棒侧面进入实心导光棒，经45°反射后，光束在实心导光棒中发生全反射，并沿实心导光棒传播，然后两个实心导光棒的光束耦合到空心导光棒中，最后经空心导光棒再次整形匀化变为矩形均匀照明光斑。
2、本发明中第一实心导光棒和第二实心导光棒的长度差根据两个光源的外形尺寸及间距来确定；本发明中第一实心导光棒、第二实心导光棒和空心导光棒的端面的宽、高根据所选择的DMD的尺寸和光学扩展量守恒来确定，定位、尺寸精确并灵活多变。
3、本发明中第一实心导光棒、第二实心导光棒和空心导光棒的材料为石英玻璃或K9玻璃，价格实惠，利于批量化生产。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明空心导光棒出射端X方向光照度均匀性示意图；
图3是本发明空心导光棒出射端Y方向光照度均匀性示意图；
图4是本发明空心导光棒出射端照度均匀性示意图。
各附图标记为：1—第一实心导光棒，2—第二实心导光棒，3—空心导光棒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明公开了一种投影机的多光源耦合光学***，包括一根由镜面反射率大于99％的四个长条状反射镜胶合而成的空心导光棒3和多根长短不一的实心导光棒，多根实心导光棒上下并列排放，实心导光棒的侧面彼此贴合，实心导光棒和空心导光棒3前后排列，实心导光棒入射面为与侧面呈45°的倾斜面，入射面镀有内反射膜，实心导光棒出射面和空心导光棒3入射面与侧面相垂直，实心导光棒的出射面与空心导光棒3的入射面贴合并位于空心导光棒3的内径里，多根所述的实心导光棒出射面的面积之和等于空心导光棒入射面的面积，每根实心导光棒的侧面均设置有一个，其中实心导光棒的入射面的宽高比均为a/2：b，所述的空心导光棒3的入射面的宽高比为a：b，宽度a和高度b的数值根据DMD（数字微镜阵列）的尺寸和光学扩展量守恒来确定，所述的多根实心导光棒的侧面的相应位置分别设置有光源，在空心导光棒3出射端1mm处加一个探测器表面，探测器划分为3×3个方块，根据DCI标准计算探测器表面的照度均匀性，根据照度均匀性来确定导光棒的长度。
实施例 1
作为一个基本实施例，如图1所示，本发明光学***包括第一实心导光棒1、第二实心导光棒2和空心导光棒3，第一实心导光棒为5×4×115mm的石英玻璃棒或K9玻璃棒，第二实心导光棒为5×4×15mm的石英玻璃棒或K9玻璃棒，空心导光棒3的内径尺寸为5mm×8mm×15mm，空心导光棒3的宽高比a：b为16：10，两根实心导光棒分别对应一个光源。
投影机照明光路中导光棒的入射面尺寸较小，而投影灯泡的体积较大，若只用一个投影灯泡，导光棒放在投影灯泡的像点前后即可；若用两个投影灯泡，则会由于投影灯泡自身体积的原因，两个投影灯泡间的间距就会比较大，无法同时耦合进同一根导光棒内，从而限制了投影机光源的总能量，也就是限制了投影机整体亮度的提高。
本实施例中，两个投影灯泡（即光源）位于实心导光棒的侧面，两个光源发出的光分别照射到两个实心导光棒的入射面上，经过45°倾斜面反射后，光束折转90°沿实心导光棒传播，在实心导光棒中发生全反射，两光束从实心导光棒出射后进入空心导光棒3，并在空心导光棒3中发生多次反射，最后，光束从空心导光棒3射出，出射的光斑长宽比为16：10。
两个投影灯泡发出的光束经过本发明后变为8mm×5mm的均匀照明光斑，在空心导光棒出射端处设置虚拟探测器，并分析光斑的能量密度，如图2和图3所示光斑X和Y方向的能量分布较均匀；将虚拟探测器等分成3×3个单元，分析每个单元上的平均能量密度，如图4所示，单元格的最大能量密度为561.7w/cm2，最小能量密度为547.1 w/cm2，9个单元格的平均能量密度为554.2 w/cm2，经过计算分析可知光斑的照度均匀性达到了97.4％，照明光斑经中继转向***照射到数字微镜阵列（DMD），经数字微镜阵列（DMD）反射后进入投影镜头，最终投射到大屏幕上。
本发明光学***将两个或多个投影灯泡的光耦合到了一起，从根源上提高了投影机的亮度，同时将投影灯泡的椭圆形光斑整形为长方形，并通过合理设计导光棒的长度，将出射方形光斑的照度均匀性提高到了95％以上。
实施例 2
与实施例1不同的是，本发明光学***包括三根长短不同的实心导光棒和一根空心导光棒3，三根实心导光棒的实心导光棒出射面的面积之和等于空心导光棒入射面的面积；空心导光棒3内径的宽高比a：b为16：9或16:10或4：3。
实施例 3
与实施例1不同的是，本发明光学***包括四根长短不同的实心导光棒和一根空心导光棒3，四根实心导光棒的实心导光棒出射面的面积之和等于空心导光棒入射面的面积。空心导光棒3内径的宽高比a：b为16：9或16:10或4：3。
实施例 4
与实施例1不同的是，本发明光学***中的两根实心导光棒的截面相同，两根实心导光棒的入射面位于空心导光棒3法线的两侧，从而两个投影灯泡位于两根实心导光棒的侧面。
实施例 5
与实施例1不同的是，本发明光学***的空心导光棒3的宽高比为16：9或4：3。
本发明可通过增加光源的数量，从源头上提高投影显示设备的亮度，但由于光源本身尺寸的限制，难以将两个光源同时摆放在单根导光棒的入射端，因此，本发明将多个光源发出的光耦合为亮度均匀的方形照明光斑。
本发明光学***不仅解决了单灯亮度不够的难题，而且可以将灯发出的椭圆光斑匀化整形为亮度均匀的长方形光斑。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种投影机的多光源耦合光学***，其特征在于：包括上下并列排放的多根不同长度的实心导光棒和排列在实心导光棒后方的空心导光棒（3），所述实心导光棒的一端具有一个与侧面呈一定夹角的倾斜入射面，另一端具有一个与侧面垂直的出射面，所述空心导光棒（3）的两端分别设有垂直于侧面的入射面和出射面，所述多根实心导光棒的侧面彼此贴合，实心导光棒的出射面与空心导光棒（3）的入射面贴合，多根实心导光棒出射面的面积之和等于空心导光棒（3）入射面的面积，每根实心导光棒的侧面均设置有一个光源。
2.根据权利要求1所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其特征在于，所述实心导光棒的入射面倾角为45°，所述的入射面镀有内反射膜。
3.根据权利要求1所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其特征在于，所述实心导光棒的入射面的宽高比均为a/2：b，所述的空心导光棒（3）的入射面的宽高比为a：b。
4.根据权利要求3所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其特征在于，所述的空心导光棒（3）的宽高比为16：9或16：10或4：3。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其特征在于，所述的实心导光棒包括上下并排的第二实心导光棒（2）和第一实心导光棒（1），所述第一实心导光棒（1）的长度大于第二实心导光棒（2）。
6.根据权利要求5所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其特征在于，所述的第一实心导光棒（1）为5×4×115mm的石英玻璃棒或K9玻璃棒。
7. 根据权利要求5所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其特征在于，所述的第二实心导光棒（2）为5×4×15mm的石英玻璃棒或K9玻璃棒。
8.根据权利要求5所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其特征在于，所述的空心导光棒（3）由镜面反射率大于99％的四个长条状反射镜胶合而成。
9.根据权利要求8所述的一种投影机的多光源耦合光学***，其特征在于，所述空心导光棒（3）的内径尺寸为5×8×15mm。
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