一种基于LED和透镜的低成本微型投影系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于LED和透镜的低成本微型投影系统。现有的投影技术存在对光能的利用率低、电光转换效率低、结构复杂、元器件较多、体积较大、成本较高、散热困难等问题。本发明专利技术包括光源、整形透镜、数字微镜元件、投影透镜、吸收体；投影系统中不含色轮、不含二向色镜、不含导光管，三色LED取代了传统投影系统中色轮在照明系统中的作用。本发明专利技术的有益效果是：简化了投影系统的光学结构，解决了传统系统中色轮的光损耗、以及系统温度过高等问题，提高了光能的利用率，降低了散热难度；有效投影面积的均匀性得到提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及投影仪领域，尤其是一种采用LED和透镜的微型投影系统。
技术介绍
传统的数字光处理投影系统（DigitalLightProcessing，DLP）体积较大、成本较高；对光源的利用效率较低、投射出的光斑均匀性较差，其核心器件是数字微镜元件（DigitalMicromirrorDevice,DMD）。数字微镜元件表面有众多微小的反射镜。在数字微镜元件没有通电时，理想状态下所有的反射镜都静止在平衡位置，该位置称为平板状态（flatstate），一般情况下平板状态的微镜都平行于DMD的表面。数字微镜元件通电后每个反射镜都可以绕着自己的转轴旋转，每个反射镜至少有两个稳定的工作状态，在第一个稳定的工作状态时反射镜的镜面与该反射镜平板状态时镜面的夹角记为角I，在第二个稳定的工作状态时反射镜的镜面与该反射镜平板状态时镜面的夹角为角J。为了方便起见，当反射镜通过逆时针旋转到稳定状态后该角度用正数表示，当反射镜顺时针旋转后，该角度用负数表示。以DMD为核心的数字光处理投影产品将继续向高亮度、高分辨率、大屏幕、轻小、超薄和便捷化发展，如何进一步减小投影仪的体积、降低成本、提高光学系统的效率、以及减少单片DLP投影系统色轮的光损耗、简化光学系统都是DLP投影系统要解决的问题。传统的单片式DLP投影系统主要由光源、照明系统、数字微镜元件、投影透镜组成。照明系统又由椭圆反射器、色轮、导光管、中继透镜、反射镜组成。当光线经过扇形滤光片的色轮时，在任何一瞬间，白光经过色轮后，只有一种颜色的光透过，其它颜色的光被阻挡和吸收，透过的光与导光管耦合，经过中继透镜，在反射镜上改变一次光路方向，到达DMD上。这个过程使用的元器件较多、结构复杂，体积较大，成本较高，整机的电光转换效率低，不仅对光能的损耗较为严重，更主要的是使整个投影系统的温度升高，对整个投影系统的散热造成了一定的影响。光线经过中继透镜时难免会产生像差，对光源的均匀性也造成了一定的影响。在2011年10月出版的《激光与光电子学进展》刊物中，芮大为等人发表了《基于渐变折射率透镜的激光投影仪照明光路设计》，公开了一种利用渐变折射率（GRIN）透镜和激光的DLP投影仪照明光路，该设计以激光二极管（LD）发出的光作为照明光源，包括：红绿蓝（RGB）激光光源、单级GRIN透镜阵列、二向色镜、反射镜、DMD、吸收体和投影透镜，照明光路由三组透镜阵列及其所对应的三片二向色镜组成。虽然没有使用色轮，但是该方案存在以下缺陷：（1）LD成本高；（2）LD电光转换效率低，导致系统的电功耗增加；（3）由于激光的相干性，投射出的显示图像中会出现散斑，影响了显示效果；（4）激光要通过三片二向色镜，在每个二向色镜上光能都会有损耗，二向色镜的成本较高，对入射光的入射角度要求严格，在生产或运输的过程中，由于元器件位置的轻微变化导致入射光入射到二向色镜的角度发生改变，会降低投影屏上的光照度，并造成色彩偏差，并且整体的安装难度较大；（5）激光要被反射镜反射到DMD上，增加了光学元件；（6）透镜矩阵由几何参数、加工精度均相同的渐变折射率透镜紧密排列而成，并且每个渐变折射率透镜对应红绿蓝三色光中的一种颜色的光线，要求三个渐变折射率透镜对应它们折射率完全一致，但是考虑材料的色散，难以大批量加工出合适的渐变折射率透镜阵列。这种方案由于使用了较多元器件，并对元器件的质量要求高，光路复杂，加工和安装难度高，成本高，对整个系统的光能利用率低，整个系统的电光转换效率低，并且系统中杂散光多，限制了系统的体积，并增加了散热难度，对于采用电池供电的投影系统，会严重缩短工作时间。现有的投影系统的方案存在对光能的利用率低、电光转换效率低、结构复杂、元器件较多、体积较大、成本较高、散热困难等问题。需要提供一种光路简单、使用的元器件少、体积小、成本低、系统的电光转换效率高、杂散光少的新型投影系统解决方案。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术公开了一种基于LED和透镜的低成本微型投影系统，包括光源、整形透镜、数字微镜元件、投影透镜、吸收体；投影系统中不含色轮、不含二向色镜、不含导光管；所述的光源是LED；所述的光源发射出的光线中有红、绿、蓝三种颜色，三种颜色的光线可以分别独立调节光的强弱；三种颜色光线通过整形透镜倾斜入射到数字微镜元件上；当数字微镜元件的反射镜处在第一个稳定状态时，大部分入射到数字微镜元件的反射镜上的光线在反射镜上的入射角接近于反射镜相对其自身平板状态的角度，大部分被数字微镜元件的反射镜反射的光线的方向几乎垂直于平板状态，并被投影透镜接收后投射到屏幕上；经过屏幕漫反射以后进入用户眼中，用户看到清晰的图像；当数字微镜元件的反射镜处在第二个稳定状态时，绝大部分被数字微镜元件的反射镜反射的光线不能进入投影透镜，而是被吸收体所吸收，大部分入射到数字微镜元件的反射镜上的光线在反射镜上的入射角接近于2I-J；所述的光源和整形透镜在投影仪中的位置是固定的。优选的，所述的数字微镜元件在投影透镜的物平面附近，通过调节投影透镜可以改变像平面的位置和、或像的大小。优选的，被数字微镜元件第一个稳定状态反射镜反射的光线是平行光，数字微镜元件不需要在投影透镜的物平面附近，只需要不挡住入射光，数字微镜元件和投影透镜之间的距离可以任意设置，屏幕到投影透镜之间的距离可以在较大范围内自由设定。所述的整形透镜可以是凸透镜或菲涅尔透镜或梯度折射率透镜或者复合透镜；优选的，所述的整形透镜均采用矩形的形状。如果使用凸透镜或者菲涅尔透镜作为整形透镜，所述的光源的发光面在凸透镜或菲涅尔透镜的焦平面附近。所述的梯度折射率透镜在光轴的横截面径向方向上折射率是变化的，且相对光轴成旋转对称变化。优选的，光源中的每一颗LED封装了三片发光二极管，三片发光二极管分别发出红绿蓝三种光线，一个整形透镜中可以包含多个单元透镜，每一颗LED对应一个单元透镜。优选的，改变发光二极管表面封装材料和、或封装材料的外形；封装材料直接构成整形透镜，发光二极管与整形透镜做在一起成为一体。本专利技术的有益效果是：三色LED取代了传统投影系统中色轮在照明系统中的作用，不使用中继透镜、反射镜，简化了投影系统的光学结构，解决了传统系统中色轮的光损耗、以及系统温度过高等问题，提高了光能的利用率，降低了散热难度；同时，整形透镜在导光过程中和LED耦合，从透镜中投射出的光斑不是角度很大的发散光锥，有效投影面积内的亮度和均匀性将得到提高。不仅提高了光能的利用率，准直后的光线还提高了投影光斑的均匀性。和传统的投影结构相比，本方案使光能的利用率得到了提高、提高了电光转换效率、简化了光学系统的结构、元器件较少、减小了杂散光的影响、减小体积、降低成本、散热容易、提高了系统抗振动冲击能力，延长了使用寿命和便于运输。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。附图用来提供对本专利技术的进一步理解，与本专利技术的实施例共同用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。图1是传统单片式DLP投影系统光路示意图。图2是数字微镜元件中反射镜处在第一个稳定状态时光线示意图。图3是数字微镜元件中反射镜处在第二个稳定状态时光线示意图。图4是本专利技术一个实施例的光学设计方案示意图。图5是本专利技术一个实施例的临界光线入射到透镜的示意图。图6是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于LED和透镜的低成本微型投影系统，其特征是：包括光源、整形透镜、数字微镜元件、投影透镜、吸收体；投影系统中不含色轮、不含二向色镜、不含导光管；所述的光源是LED；所述的光源发射出的光线中有红、绿、蓝三种颜色，三种颜色的光线可以分别独立调节光的强弱；三种颜色光线通过整形透镜倾斜入射到数字微镜元件上；当数字微镜元件的反射镜处在第一个稳定状态时，大部分入射到数字微镜元件的反射镜上的光线在反射镜上的入射角接近于反射镜相对其自身平板状态的角度，大部分被数字微镜元件的反射镜反射的光线的方向几乎垂直于平板状态，并被投影透镜接收后投射到屏幕上；经过屏幕漫反射以后进入用户眼中，用户看到清晰的图像；当数字微镜元件的反射镜处在第二个稳定状态时，绝大部分被数字微镜元件的反射镜反射的光线不能进入投影透镜，而是被吸收体所吸收；所述的光源和整形透镜在投影仪中的位置是固定的。

【技术特征摘要】
1.一种基于LED和透镜的低成本微型投影系统，其特征是：包括光源、整形透镜、数字微镜元件、投影透镜、吸收体；投影系统中不含色轮、不含二向色镜、不含导光管；所述的光源是LED；所述的光源发射出的光线中有红、绿、蓝三种颜色，三种颜色的光线可以分别独立调节光的强弱；三种颜色光线通过整形透镜倾斜入射到数字微镜元件上；当数字微镜元件的反射镜处在第一个稳定状态时，大部分入射到数字微镜元件的反射镜上的光线在反射镜上的入射角接近于反射镜相对其自身平板状态的角度，大部分被数字微镜元件的反射镜反射的光线的方向几乎垂直于平板状态，并被投影透镜接收后投射到屏幕上；经过屏幕漫反射以后进入用户眼中，用户看到清晰的图像；当数字微镜元件的反射镜处在第二个稳定状态时，绝大部分被数字微镜元件的反射镜反射的光线不能进入投影透镜，而是被吸收体所吸收；所述的光源和整形透镜在投影仪中的位置是固定的。2.根据权利要求1所述的一种基于LED和透镜的低成本微型投影系统，其特征是：所述的数字微镜元件在投影透镜的物平面附近，通过调节投影透镜可以改变像平面的位置和、或像的大小。3.根据权利要求1所述的一种基于LED和透镜的低成本微型投影系统，其特征是：被数字微镜元件第一个稳定状态反射镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱向冰，钱立勇，崔海田，朱子辰，金慧敏，高腾，王先盛，付贝贝，钟婷婷，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34