一種投影機的多光源耦合光學系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種投影機的多光源耦合光學系統，包括上下并列排放的多根不同長度的實心導光棒和排列在實心導光棒后方的空心導光棒，所述實心導光棒具有一個傾斜入射面和一個垂直出射面，所述空心導光棒的兩端分別設有垂直于側面的入射面和出射面，所述多根實心導光棒的側面彼此貼合，實心導光棒的出射面與空心導光棒的入射面貼合，多根實心導光棒出射面的面積之和等于空心導光棒入射面的面積，每根實心導光棒的側面均設置有一個光源；本發明將兩個或多個投影燈泡的光耦合到了一起，從根源上提高了投影機的亮度，同時將投影燈泡的橢圓形光斑整形為長方形，并通過合理設計導光棒的長度，將出射方形光斑的照度均勻性提高到了95％以上。
【專利說明】
一種投影機的多光源耦合光學系統
技術領域
[0001]本發明屬于光學領域，具體涉及一種投影機的多光源耦合光學系統，該光學系統主要用于基于DLP的雙燈或多燈投影顯示設備中。
【背景技術】
[0002]近年來投影機市場已推出不同亮度的投影產品，主要應用于家庭娛樂、商務會演、游戲模擬、展覽標牌、劇院等領域，在這些應用領域中，很多應用要求投影機(工程投影機、數字電影放映機等)具有較高的亮度。
[0003]光學引擎是投影顯示光學系統結構中的核心，而照明系統則占據了光學引擎相當大的一塊成本。照明系統是投影機光學系統結構的重要組成部分，決定著系統的能量利用率、照明均勻性以及對比度等性能。
[0004]光學引擎系統中，影響能量利用率的主要因素包括光源的輸出光通量分布、照明系統結構、系統的數值孔徑限制以及各種光學元件的透反射和吸收損耗等等。其中由于目前設計方式的局限和材料選用的限制，光學元件自身引起的量損耗可改善程度很小，而系統的數值孔徑主要由空間光調制器的特性和投影物鏡的數值孔徑所限制，如果需要較大的提高，會以影響像質為代價。
[0005]光源發出的光是具有一定發散角的圓形或橢圓形光斑，而投影需要的光斑為4:3或16:9的方形光斑，因此，需要對光源發出的光斑進行整形，將光斑由圓形光斑變為需要的方形光斑。
[0006]復眼透鏡照明系統和導光棒照明系統都可以將圓形光斑轉化為方形光斑。其基本原理都是將單一的光源成像為二維的光源陣列，并將光源陣列的像疊加，以實現高均勻性的照明光斑。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于根據現有技術的不足，提供一種可將雙燈或多燈發出的光束通過多根實心導光棒耦合到一根空心導光棒中，從而輸出高亮度的照度均勻的方形照明光斑的多光源耦合光學系統。
[0008]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種投影機的多光源耦合光學系統，包括上下并列排放的多根不同長度的實心導光棒和排列在實心導光棒后方的空心導光棒，所述實心導光棒的一端具有一個與側面呈一定夾角的傾斜入射面，另一端具有一個與側面垂直的出射面，所述空心導光棒的兩端分別設有垂直于側面的入射面和出射面，所述多根實心導光棒的側面彼此貼合，實心導光棒的出射面與空心導光棒的入射面貼合，多根實心導光棒出射面的面積之和等于空心導光棒入射面的面積，每根實心導光棒的側面均設置有一個光源。
[0009]所述的一種投影機的多光源耦合光學系統，其實心導光棒的入射面傾角為45°，所述的入射面鍍有內反射膜。
[0010]所述的一種投影機的多光源耦合光學系統，其實心導光棒的入射面的寬高比均為a/2:b，所述的空心導光棒的入射面的寬高比為a:b。
[0011]所述的一種投影機的多光源親合光學系統，其空心導光棒的寬高比為16:9或16:10或4:3。
[0012]所述的一種投影機的多光源耦合光學系統，其實心導光棒包括上下并排的第二實心導光棒和第一實心導光棒，所述第一實心導光棒的長度大于第二實心導光棒。
[0013]所述的一種投影機的多光源親合光學系統，其第一實心導光棒為5X4 X 115mm的石英玻璃棒或K9玻璃棒;第二實心導光棒為5 X4X 15mm的石英玻璃棒或K9玻璃棒。
[0014]所述的一種投影機的多光源親合光學系統，其空心導光棒由鏡面反射率大于99%的四個長條狀反射鏡膠合而成。空心導光棒的內徑尺寸為5X8 X 15mm。
[0015]本發明的有益效果是:
1、本發明中第一實心導光棒和第二實心導光棒的入射面均帶45°反射面，光源均位于實心導光棒的側面，光束由實心導光棒側面進入實心導光棒，經45°反射后，光束在實心導光棒中發生全反射，并沿實心導光棒傳播，然后兩個實心導光棒的光束耦合到空心導光棒中，最后經空心導光棒再次整形勻化變為矩形均勻照明光斑。
[0016]2、本發明中第一實心導光棒和第二實心導光棒的長度差根據兩個光源的外形尺寸及間距來確定;本發明中第一實心導光棒、第二實心導光棒和空心導光棒的端面的寬、高根據所選擇的DMD的尺寸和光學擴展量守恒來確定，定位、尺寸精確并靈活多變。
[0017]3、本發明中第一實心導光棒、第二實心導光棒和空心導光棒的材料為石英玻璃或K9玻璃，價格實惠，利于批量化生產。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的結構示意圖。
[0019]圖2是本發明空心導光棒出射端X方向光照度均勻性示意圖；
圖3是本發明空心導光棒出射端Y方向光照度均勻性示意圖；
圖4是本發明空心導光棒出射端照度均勻性示意圖。
[0020]各附圖標記為:1一第一實心導光棒，2—第二實心導光棒，3—空心導光棒。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0022]本發明公開了一種投影機的多光源親合光學系統，包括一根由鏡面反射率大于99%的四個長條狀反射鏡膠合而成的空心導光棒3和多根長短不一的實心導光棒，多根實心導光棒上下并列排放，實心導光棒的側面彼此貼合，實心導光棒和空心導光棒3前后排列，實心導光棒入射面為與側面呈45°的傾斜面，入射面鍍有內反射膜，實心導光棒出射面和空心導光棒3入射面與側面相垂直，實心導光棒的出射面與空心導光棒3的入射面貼合并位于空心導光棒3的內徑里，多根所述的實心導光棒出射面的面積之和等于空心導光棒入射面的面積，每根實心導光棒的側面均設置有一個，其中實心導光棒的入射面的寬高比均為a/2:b，所述的空心導光棒3的入射面的寬高比為a:b，寬度a和高度b的數值根據DMD(數字微鏡陣列)的尺寸和光學擴展量守恒來確定，所述的多根實心導光棒的側面的相應位置分別設置有光源，在空心導光棒3出射端Imm處加一個探測器表面，探測器劃分為3X3個方塊，根據DCI標準計算探測器表面的照度均勻性，根據照度均勻性來確定導光棒的長度。
[0023]實施例1
作為一個基本實施例，如圖1所示，本發明光學系統包括第一實心導光棒1、第二實心導光棒2和空心導光棒3，第一實心導光棒為5X4 X 115_的石英玻璃棒或K9玻璃棒，第二實心導光棒為5 X 4 X 15mm的石英玻璃棒或K9玻璃棒，空心導光棒3的內徑尺寸為5mm X 8mm X15mm，空心導光棒3的寬高比a:b為16:10，兩根實心導光棒分別對應一個光源。
[0024]投影機照明光路中導光棒的入射面尺寸較小，而投影燈泡的體積較大，若只用一個投影燈泡，導光棒放在投影燈泡的像點前后即可;若用兩個投影燈泡，則會由于投影燈泡自身體積的原因，兩個投影燈泡間的間距就會比較大，無法同時耦合進同一根導光棒內，從而限制了投影機光源的總能量，也就是限制了投影機整體亮度的提高。
[0025]本實施例中，兩個投影燈泡(即光源)位于實心導光棒的側面，兩個光源發出的光分別照射到兩個實心導光棒的入射面上，經過45°傾斜面反射后，光束折轉90°沿實心導光棒傳播，在實心導光棒中發生全反射，兩光束從實心導光棒出射后進入空心導光棒3，并在空心導光棒3中發生多次反射，最后，光束從空心導光棒3射出，出射的光斑長寬比為16:10。
[0026]兩個投影燈泡發出的光束經過本發明后變為8_ X 5mm的均勻照明光斑，在空心導光棒出射端處設置虛擬探測器，并分析光斑的能量密度，如圖2和圖3所示光斑X和Y方向的能量分布較均勻;將虛擬探測器等分成3 X 3個單元，分析每個單元上的平均能量密度，如圖4所示，單元格的最大能量密度為561.7w/cm2，最小能量密度為547.1 w/cm2，9個單元格的平均能量密度為554.2 w/cm2，經過計算分析可知光斑的照度均勾性達到了97.4%，照明光斑經中繼轉向系統照射到數字微鏡陣列(DMD)，經數字微鏡陣列(DMD)反射后進入投影鏡頭，最終投射到大屏幕上。
[0027]本發明光學系統將兩個或多個投影燈泡的光耦合到了一起，從根源上提高了投影機的亮度，同時將投影燈泡的橢圓形光斑整形為長方形，并通過合理設計導光棒的長度，將出射方形光斑的照度均勻性提高到了 95 %以上。
[0028]實施例2
與實施例1不同的是，本發明光學系統包括三根長短不同的實心導光棒和一根空心導光棒3，三根實心導光棒的實心導光棒出射面的面積之和等于空心導光棒入射面的面積;空心導光棒3內徑的寬高比a:b為16:9或16:10或4:3。
[0029]實施例3
與實施例1不同的是，本發明光學系統包括四根長短不同的實心導光棒和一根空心導光棒3，四根實心導光棒的實心導光棒出射面的面積之和等于空心導光棒入射面的面積。空心導光棒3內徑的寬高比a:b為16:9或16:10或4:3。
[0030]實施例4
與實施例1不同的是，本發明光學系統中的兩根實心導光棒的截面相同，兩根實心導光棒的入射面位于空心導光棒3法線的兩側，從而兩個投影燈泡位于兩根實心導光棒的側面。
[0031]實施例5
與實施例1不同的是，本發明光學系統的空心導光棒3的寬高比為16:9或4:3。
[0032]本發明可通過增加光源的數量，從源頭上提高投影顯示設備的亮度，但由于光源本身尺寸的限制，難以將兩個光源同時擺放在單根導光棒的入射端，因此，本發明將多個光源發出的光耦合為亮度均勻的方形照明光斑。
[0033]本發明光學系統不僅解決了單燈亮度不夠的難題，而且可以將燈發出的橢圓光斑勻化整形為亮度均勻的長方形光斑。
[0034]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，以及部分運用的實施例，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種投影機的多光源耦合光學系統，其特征在于:包括上下并列排放的多根不同長度的實心導光棒和排列在實心導光棒后方的空心導光棒(3)，所述實心導光棒的一端具有一個與側面呈一定夾角的傾斜入射面，另一端具有一個與側面垂直的出射面，所述空心導光棒(3)的兩端分別設有垂直于側面的入射面和出射面，所述多根實心導光棒的側面彼此貼合，實心導光棒的出射面與空心導光棒(3)的入射面貼合，多根實心導光棒出射面的面積之和等于空心導光棒(3)入射面的面積，每根實心導光棒的側面均設置有一個光源。2.根據權利要求1所述的一種投影機的多光源耦合光學系統，其特征在于，所述實心導光棒的入射面傾角為45°，所述的入射面鍍有內反射膜。3.根據權利要求1所述的一種投影機的多光源耦合光學系統，其特征在于，所述實心導光棒的入射面的寬高比均為a/2:b，所述的空心導光棒(3)的入射面的寬高比為a:b。4.根據權利要求3所述的一種投影機的多光源耦合光學系統，其特征在于，所述的空心導光棒(3)的寬高比為16:9或16:10或4:3。5.根據權利要求1或2或3或4所述的一種投影機的多光源耦合光學系統，其特征在于，所述的實心導光棒包括上下并排的第二實心導光棒(2)和第一實心導光棒(1)，所述第一實心導光棒(I)的長度大于第二實心導光棒(2)。6.根據權利要求5所述的一種投影機的多光源耦合光學系統，其特征在于，所述的第一實心導光棒(I)為5 X 4 X 115_的石英玻璃棒或K9玻璃棒。7.根據權利要求5所述的一種投影機的多光源耦合光學系統，其特征在于，所述的第二實心導光棒(2)為5 X 4 X 15mm的石英玻璃棒或K9玻璃棒。8.根據權利要求5所述的一種投影機的多光源耦合光學系統，其特征在于，所述的空心導光棒(3 )由鏡面反射率大于99 %的四個長條狀反射鏡膠合而成。9.根據權利要求8所述的一種投影機的多光源耦合光學系統，其特征在于，所述空心導光棒(3)的內徑尺寸為5X8 X 15mm。
【文檔編號】G02B27/09GK105867058SQ201610304535
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】李升輝, 崔小強, 耿安兵, 潘海俊, 唐培 , 陳偉, 彭軍
【申請人】湖北久之洋紅外系統股份有限公司