CN108255008A - 一种多波长复用投影仪rgb合色装置 - Google Patents

一种多波长复用投影仪rgb合色装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多波长复用投影仪RGB合色装置，属于投影仪设备领域，包括设置在投影镜头与DMD芯片间的棱镜，棱镜一侧设有G光合色器、R光合色器和B光合色器；各合色器内的窄带合色片反射短波光源并透射长波光源后合成一束光源；G光合色器合成的绿光、R光合色器合成的红光和B光合色器合成的蓝光通过两个合色片合成为一束白光并垂直于投影镜头的光轴入射到棱镜。将三色单波长的光源扩展成了单色多波长光源，并用特定的合色片将多波长的单色光合成一束复合单色光，实现了在较小改变投影仪尺寸的情况下，大幅增大投影仪的输出投影图像亮度。

Description

一种多波长复用投影仪RGB合色装置
技术领域
本发明涉及投影仪设备领域，具体地说，涉及一种多波长复用投影仪RGB合色装置。
背景技术
投影仪是将外部提供的视频信号转化为投射图像的电器，投影仪的光学结构(光机引擎)主要是由照明部分和成像部分组成。便携式投影仪提出的主要要求是投影仪体积小、投射图像亮度高、对比度高。
按照目前市场上使用的单波长红绿蓝(RGB)光源作为投影仪光源的方式，若提高投影仪光通，必然需要(1)采用更大尺寸的LED、LD芯片或(2)采用多个单色光源并联的方式，无论采用上述两种方式的哪一种，都会增大***的光学扩展量，按照光学扩展量不变原理，若想保持照明***的效率不变，唯有增大照明***的通光孔径。由于便携式投影与对于体积具有较高的要求，不宜过大。增大照明***的通光孔径必然会增大光机引擎的整体体积。
由于半导体光源单位面积发光亮度是有限制的，要增加光源的亮度，必须增加光源的发光面积，而发光面积的增加也导致光学扩展量的相应增加。由于光学显示芯片(DMD芯片或者是LCOS，LCD芯片)光学扩展量的是一定的，即使是通过增加半导体芯片的发光面积来增加光源的亮度，由于发光面积的增加导致光源光学扩展量的增加，实际的照明***中光源发出的能量并不能被充分利用。
发明内容
本发明的目的为提供一种多波长复用投影仪RGB合色装置，采用的多波长复用技术，可以在保持半导体光源芯片光学扩展量不增加的情况下(不用增加发光面积)，通过多个不同波长的半导体光源经过窄带薄膜合色片合成一束高亮度的光学扩展量不变的光源，大大提高投影***的亮度。
为了实现上述目的，本发明提供的多波长复用投影仪RGB合色装置包括设置在投影镜头与DMD芯片间的棱镜，棱镜一侧设有G光合色器、R光合色器和B光合色器；G光合色器内具有传播方向相互垂直的短波绿光光源和长波绿光光源，R光合色器内具有传播方向相互垂直的短波红光光源和长波红光光源，B光合色器内具有传播方向相互垂直的短波蓝光光源和长波蓝光光源；各合色器内均设有将短波光源和长波光源分别准直成平行光的准直透镜以及沿两侧平行光交点面设置的窄带合色片，各合色器内的窄带合色片将短波长光源与长波长光源后合成为一束光源；G光合色器合成的绿光、R光合色器合成的红光和B光合色器合成的蓝光通过两个合色片合成为一束白光并垂直于投影镜头的光轴入射到棱镜。
上述技术方案中，将红绿蓝三色中的一种或多种光源的波长由单一波长扩展为多个不同中心波长、但仍属同一颜色区域的光源，如对于红光，传统投影仪通常使用中心波长为610nm的光源，在本技术方案中可将其扩展为中心波长为610nm～750nm范围内的多个光源，并使用窄带合色片将多个光源发出的光合为一束红光，在忽略器件损耗时，合光后的红光光束的光通量为多个红光光源的总和，由于合光后的光束的光学扩展量相比于单波长光源出射光束的光学扩展量并不增加，也即实现了在不增大照明***通光孔径的前提下，增大了照明***的输出光通，最终达到增加投影仪输出图像亮度。
其中，窄带合色片是采用镀膜工艺，通过多层薄膜合成得到的，可根据需要将窄带合色片设计成不同的透过率，使其透射长波光源反射短波光源，或透射短波光源反射长波光源，从而使传播方向相互垂直的短波光源和长波光源合成为一束光源。此处，长波和短波为一个相对的概念，指的是光的波长的相对值，比如针对同一颜色的光，波长分别为610nm和650nm，一个是长波一个是短波；针对不同颜色的光，比如红光与绿光之间，红光为长波，绿光为短波。
上述合色片与窄带合色片是同样的概念，可将其设计成透射长波光源反射短波光源，或透射短波光源反射长波光源，这样就可将不同传播方向的红、绿、蓝光合成为一束白光。具体的方案为各合色器内具有一个透射光源以及两个以上传播方向垂直于透射光源方向的反射光源，对应的每个反射光源与透射光源的交点处均设有窄带合色片。通过增加光源数量来进一步提高亮度。
更具体的方案为各合色器内的窄带合色片反射短波光源并透射长波光源后合成为一束光源；透射光源为长波光源，反射光源为短波光源。将窄带合色片设计成反射短波并透射长波，并且设计一个长波光源以及多个与长波光源垂直设置的短波光源，短波光源的波长依次下降，窄带合色片的结构也相应有所改变，选择对应的窄带合色片，最后合成为一束光源。
另一个更具体的方案为各合色器内窄带合色片反射长波光源并透射短波光源后合成为一束光源；透射光源为短波光源，反射光源为长波光源。将窄带合色片设计成反射长波并透射短波，并且设计一个短波光源以及多个与短波光源垂直设置的长波光源，长波光源的波长依次上升，窄带合色片的结构也相应有所改变，选择合适的窄带合色片，最后合成为一束光源。
另一个具体的方案为R光合色器合成的红光与G光合色器合成的绿光相互垂直并在交点处通过第一合色片合成一束橙光，橙光与B光合色器合成的蓝光相互垂直并在交点处通过第二合色片合成一束白光，白光垂直于投影镜头的光轴入射到棱镜。
从G光合色器出来的复合绿光经过第一合色片与从R光合色器出来的复合红光合成一束橙光，合成后的复合橙光通过第二合色片与从B光合色器出来的复合蓝光合成一束白光。这束复合白光相比传统投影仪具有相同的通光口径、更大的光通量。
更具体的方案为G光合色器合成的绿光垂直于投影镜头的光轴入射到棱镜，R光合色器合成的红光和B光合色器合成的蓝光均垂直于红光的光路。
另一个具体的方案为白光在入射到棱镜的光路上设有复眼透镜。使光束变得更加均匀。
更具体的方案为复眼透镜包括前后设置的两个。
再一个具体的方案为白光在入射到棱镜的光路上设有场镜。
更具体的方案为场镜包括前后设置的两个。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的多波长复用投影仪RGB合色装置通过R光合色片将多个不同波长的红光半导体光源发出的光合成一束红光，不同波长红光合成产生一个等效波长的复合红光，通过G光合色片将多个不同波长的绿光半导体光源发出的光合成一束绿光，不同波长绿光合成产生一个等效波长的复合绿光，通过B光合色片将多个不同波长的蓝光半导体光源发出的光合成一束蓝光，不同波长蓝光合成产生一个等效波长的复合蓝光。将显示图像按RGB三色分色控制RGB光源。合成的复合白光相比传统投影仪具有相同的通光口径、更大的光通量。
附图说明
图1为本发明实施例包含两个光源的单个合色器的工作原理图；
图2为本发明实施例包含多个光源的单个合色器的工作原理图；
图3为本发明实施例的整体结构示意图；
图4为本发明实施例的窄带合色片和光源光谱波长对比图；
图5为本发明实施例的窄带合色片光谱波长透过率曲线图；
图6为本发明实施例的窄带合色片光谱波长透过率曲线示意图。
其中：A、G光合色器；B、R光合色器；C、B光合色器；1、投影镜头；2、棱镜；3、DMD芯片；4、场镜一；5、复眼透镜；6、第二合色片；7、短波绿光光源；8、准直透镜；9、绿光窄带合色片；10、第一合色片；11、蓝光窄带合色片；12、红光窄带合色片；13、长波绿光光源；14、短波红光光源；15、长波红光光源；16、长波蓝光光源；17、短波蓝光光源；18、场镜二。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
实施例
参见图1至图4，本实施例的多波长复用投影仪RGB合色装置包括设置在投影镜头1与DMD芯片3间的棱镜2，棱镜2一侧设有G光合色器A、R光合色器B、和B光合色器C。
G光合色器A内具有传播方向相互垂直的短波绿光光源7和长波绿光光源13，在短波绿光光源7和长波绿光光源13的光束传播方向上均设有将光束转变成平行光的准直透镜8，在短波绿光光源7和长波绿光光源13的平行光的交点所形成的面处设有绿光窄带合色片9，绿光窄带合色片9能反射短波长绿光透过长波长绿光，合成一束复合绿光。
R光合色器B内具有传播方向相互垂直的短波红光光源14和长波红光光源15，在短波红光光源14和长波红光光源15的光束传播方向上均设有将光束转变成平行光的准直透镜8，在短波红光光源14和长波红光光源15的平行光的交点所形成的面处设有红光窄带合色片12，红光窄带合色片12能反射短波长红光透过长波长红光，合成一束复合红光。
B光合色器C内具有传播方向相互垂直的短波蓝光光源17和长波蓝光光源16，在短波蓝光光源17和长波蓝光光源16的平行光的交点所形成的面处设有蓝光窄带合色片11，在短波蓝光光源17和长波蓝光光源16能反射短波长蓝光透过长波长蓝光，合成一束复合蓝光。
G光合色器A合成的绿光、R光合色器B合成的红光和B光合色器C合成的蓝光通过两个合色片合成为一束复合白光并垂直于投影镜头的光轴入射到棱镜2。
本实施例中，G光合色器A合成的绿光垂直于投影镜头的光轴入射到棱镜2，R光合色器B合成的红光和B光合色器C合成的蓝光均垂直于绿光的光路，且处于绿光光路的同一侧。其中，R光合色器B合成的红光与G光合色器A合成的绿光在交点处通过第一合色片10合成一束橙光，橙光与B光合色器C合成的蓝光在交点处通过第二合色片6合成一束白光，复合白光垂直于入射到棱镜2。
所合成的一束白光由三色光由三种合色器发出的光线混合而成，三种颜色光合色器空间摆放位置并不限于本实施例中的位置，本实施例提供的空间位置方案仅为一种可行的参考示例。这束复合白光相比传统投影仪具有相同的通光口径、更大的光通量。
另外，本实施例的白光光路上依次设有两个复眼透镜5、场镜一4和场镜二18，白光经过复眼透镜5变成均匀白光，再分别通过场镜一4和场镜二18，进入2棱角，到达DMD芯片3上，DMD芯片3将视频信号转换为投影图像信号通过投射镜头1投影到投影仪外部。投影出来的图像亮度比传统投影仪的图像亮度更大，而基本不改变投影仪光路模块尺寸和散热模块尺寸。
一个亮度为100流明，波长为435nm，发光面积为2毫米×2.6毫米的短波蓝光LED光源和一个亮度为120流明，波长为455nm，发光面积也是2毫米×2.6毫米的长波蓝光LED光源，通过窄带合色片合成一个路蓝光，合束后的光通为200流明，光学扩展量与单个的LED芯片一样。
一个亮度为1000流明，波长为535nm，发光面积为2毫米×2.6毫米的短波绿光LED光源和一个亮度为1200流明，波长为560nm，发光面积也是2毫米×2.6毫米的长波绿光LED光源，通过窄带合色片合成一个路绿光，合束后的光通为2000流明，光学扩展量与单个的LED芯片一样。
一个亮度为360流明，波长为635nm，发光面积为2毫米×2.6毫米的短波红光LED光源和一个亮度为300流明，波长为655nm，发光面积也是2毫米×2.6毫米的长波红光LED光源，通过窄带合色片合成一个路红光，合束后的光通为600流明，光学扩展量与单个的LED芯片一样。
通过采用窄带合色技术将两只蓝光LED,两只绿光LED以及两只红光LED组合成等效的RGB光源，再应用到常规的投影显示***中，能够获得将近2倍的亮度输出。没有采用多波长窄带合束前的亮度是1680流明，而采用窄带合束技术后可以获得2800流明。而由于合束过程中光源的光学扩展量没有增加，都能够被投影***利用，大大的提高了输出亮度。
本实施例中，绿光窄带合色片9、红光窄带合色片12、蓝光窄带合色片11以及第二合色片6均设计成透射长波反射短波的结构，其波长透过率参见图5；第一合色片10设计成透射短波反射长波的结构，其波长透过率参见图6。当然，具体的结构还需根据具体的波长进行设计，此为现有技术，此处不做赘述。除了本实施例的设置方式外，也可将各合色器的位置进行变换，相应的改变合色片的结构；并且各合色器内的光源设置也可改变，相应的改变合色片的透射率即可。

Claims (10)

1.一种多波长复用投影仪RGB合色装置，包括设置在投影镜头与DMD芯片间的棱镜，其特征在于：
所述棱镜一侧设有G光合色器、R光合色器和B光合色器；
所述G光合色器内具有传播方向相互垂直的短波绿光光源和长波绿光光源，所述R光合色器内具有传播方向相互垂直的短波红光光源和长波红光光源，所述B光合色器内具有传播方向相互垂直的短波蓝光光源和长波蓝光光源；
各合色器内均设有将短波光源和长波光源分别准直成平行光的准直透镜以及沿两侧平行光交点面设置的窄带合色片，各合色器内的窄带合色片将短波长光源与较长波长光源合成为一束光源；
所述G光合色器合成的绿光、所述R光合色器合成的红光和所述B光合色器合成的蓝光通过两个合色片合成为一束白光并垂直于所述投影镜头的光轴入射到所述棱镜。
2.根据权利要求1所述的多波长复用投影仪RGB合色装置，其特征在于：
各合色器内具有一个透射光源以及两个以上传播方向垂直于透射光源方向的反射光源，对应的每个反射光源与透射光源的交点处均设有窄带合色片。
3.根据权利要求2所述的多波长复用投影仪RGB合色装置，其特征在于：
各合色器内所述的窄带合色片反射短波光源并透射长波光源后合成为一束光源；
所述的透射光源为长波光源，所述的反射光源为短波光源。
4.根据权利要求2所述的多波长复用投影仪RGB合色装置，其特征在于：
各合色器内所述的窄带合色片反射长波光源并透射短波光源后合成为一束光源；所述的透射光源为短波光源，所述的反射光源为长波光源。
5.根据权利要求1所述的多波长复用投影仪RGB合色装置，其特征在于：
所述的R光合色器合成的红光与所述的G光合色器合成的绿光相互垂直并在交点处通过第一合色片合成一束橙光，所述橙光与所述的B光合色器合成的蓝光相互垂直并在交点处通过第二合色片合成一束白光，所述白光垂直于所述投影镜头的光轴入射到所述棱镜。
6.根据权利要求5所述的多波长复用投影仪RGB合色装置，其特征在于：
所述的G光合色器合成的绿光垂直于所述投影镜头的光轴入射到所述的棱镜，所述的R光合色器合成的红光和所述的B光合色器合成的蓝光均垂直于所述绿光的光路。
7.根据权利要求1所述的多波长复用投影仪RGB合色装置，其特征在于：
所述的白光在入射到所述棱镜的光路上设有复眼透镜。
8.根据权利要求7所述的多波长复用投影仪RGB合色装置，其特征在于：
所述的复眼透镜包括前后设置的两个。
9.根据权利要求1所述的多波长复用投影仪RGB合色装置，其特征在于：
所述的白光在入射到所述棱镜的光路上设有场镜。
10.根据权利要求9所述的多波长复用投影仪RGB合色装置，其特征在于：
所述的场镜包括前后设置的两个。
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