聚光模组及具有该聚光模组的DLP微投影机的制作方法

本实用新型涉及光学投影装置技术领域，尤其涉及一种聚光模组及具有该聚光模组的DLP微投影机。

背景技术：

目前的微型投影光学引擎大多采用的是美国德州仪器(TI)公司的DLP技术，其主要图像和光线控制器件一般称为DMD光调制器。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R、G、B三原色构成的画面转换成我们人眼易见的投影画面。而考虑到微型投影需要做到结构小巧，光效最佳，业内通常使用阵列透镜和一具有透镜表面的RTIR组合棱镜(通常称为RTIR组合棱镜)配合尺寸小巧的R、G、B三原色LED来完成对DMD光调制器的照明配光。

但是，现有技术中使用阵列透镜和一具有透镜表面的RTIR组合棱镜配合尺寸小巧的R、G、B三原色LED来完成DMD光调制器照明配光的照明系统存在有如下几种技术问题或者技术缺点：其一，不能很好地控制大角度光线的入射，造成照明系统入射到DMD光调制器的光线角度与镜头可以接收的光线角度难以完全匹配；其二，由于该系统存在着非对称的RTIR组合棱镜，采用如上提到的两种照明系统构架难以完全保证照射到DMD光调制器两侧的光线的对称性，也即影响到整个投影画面两侧的光照度均匀性；其三，由于该系统存在着非对称的RTIR组合棱镜，现有的照明系统构架难以完全保证照射到DMD光调制器两侧的不同颜色(指R、G、B三原色)的光线的重合度一致，从而导致整个投影画面两侧容易出现彩色色边。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种聚光模组及具有该聚光模组的DLP微投影机，以解决现有的DLP微投影机中，RTIR组合棱镜存在着不对称性，倒导致DMD光调制器两侧的照明强度不对称，出现色边的问题

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种聚光模组，其包括：

光积分转换组件，用于接收照明准直光束，并将所述照明准直光束转换为标准光束后再发出；

第一聚光透镜，设置于所述标准光束的光路上，用于聚合所述标准光束，所述第一聚光透镜的中心轴线与所述标准光束的主光轴之间的夹角为预设角度α，所述第一聚光透镜包括偏心设置的第一自由曲面和第二自由曲面，所述第一自由曲面的法线和第二自由曲面的法线之间的偏心位移为预设长度L；

RTIR组合棱镜，设置于所述标准光束的光路上，所述标准光束穿过所述第一聚光透镜后照射至所述RTIR组合棱镜，所述RTIR组合棱镜用于调整所述标准光束的光路形状；

DMD光调制器，邻近所述RTIR组合棱镜设置，接收穿过所述RTIR组合棱镜的标准光束，并将所述标准光束转换为影像光束后，发射至所述RTIR组合棱镜，所述RTIR组合棱镜还用于耦合所述标准光束的光路和所述影像光束的光路，并将所述影像光束反射至外部。

作为本实用新型的进一步改进，所述光积分转换组件包括依次设置的阵列透镜、第二聚光透镜和反射镜，所述照明准直光束照射至所述阵列透镜，经所述阵列透镜转换为标准光束，所述标准光束经所述第二聚光透镜聚合后，照射至所述反射镜上，所述反射镜用于调整所述标准光束的光路方向。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一聚光透镜为模压注塑成型的塑料一体成型的非球面透镜。

作为本实用新型的进一步改进，以所述主光轴为轴线，所述预设角度α的取值范围为：-45°≤α≤45°。

作为本实用新型的进一步改进，所述预设长度L的取值范围为：0mm<L≤20mm。

作为本实用新型的进一步改进，所述RTIR组合棱镜包括补偿棱镜和等腰直角棱镜，所述补偿棱镜的斜边和所述等腰直角棱镜的斜边胶合，且胶合面设有一薄的空气间隙，所述影像光束照射至所述等腰直角棱角的斜边，在所述空气间隙的作用下实现全反射。

为了解决上述问题，本实用新型还提供了一种DLP微投影仪，其包括照明准直与合光模组、镜头和上述任一项所述的聚光模组，所述照明准直与合光模组发出的照明准直光束照射至所述聚光模组，所述聚光模组接收所述照明准直光束并将其转换为影像光束并发射至所述镜头，所述镜头用于将所述影像光束投射至外部。

作为本实用新型的进一步改进，所述照明准直与合光模组包括第一二向色镜片、第二二向色镜片、第一光源、第二光源、第三光源，以及分别与所述第一光源、所述第二光源、所述第三光源对应设置的第一准直透镜组、第二准直透镜组、第三准直透镜组，所述第一二向色镜片和所述第二二向色镜片呈“八”字型设置，所述第一光源发出的光平行于所述镜头且穿过所述第一二向色镜片照射至所述聚光模组，所述第二光源发出的光垂直于所述镜头且穿过所述第二二向色镜片照射至所述第一二向色镜片，经所述第一二向色镜片反射至所述聚光模组，所述第三光源发出的光照射至所述第二二向色镜片，经所述第二二向色镜片反射至所述第一二向色镜片，再经所述第一二向色镜片反射至所述聚光模组。

作为本实用新型的进一步改进，所述照明准直与合光模组还包括中继透镜，所述中继透镜设置于所述第一二向色镜片和所述第二二向色镜片之间，且位于所述第二光源和所述第三光源发出的光的光路上。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源分别发出红光、绿光和蓝光中的一种。

相比于现有技术，本实用新型公开的聚光模组通过RTIR组合棱镜配合包括第一自由曲面和第二自由曲面，且第一自由曲面和第二自由曲面存在偏心位移的第一聚光透镜正向补偿和调制光束，从而提高照射至DMD光调制器上的光束的对称性，并调整光束的入射角度，进一步提升光效，还降低了DMD光调制器两侧不同颜色的光线的重合度不一致性，避免了投影画面两侧出现彩色色边，提升了用户体验。

附图说明

图1为本实用新型聚光模组一种实施例的结构示意图。

图2为本实用新型聚光模组的第一聚光透镜的参数示意图。

图3为本实用新型第一聚光透镜存在偏心位移时的光路对比图。

图4为本实用新型第一聚光透镜存在偏心位移时的局部光斑形状对比图。

图5为本实用新型DLP微投影机一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用来限定本实用新型。

图1展示了本实用新型聚光模组的从而一种实施例。该聚光模组用于DLP微投影机，在本实施例中，如图1所示，该聚光模组包括光积分转换组件1、第一聚光透镜2、RTIR组合棱镜3和DMD光调制器4。光积分转换组件1用于接收照明准直光束，并将照明准直光束转换为标准光束后再发出。第一聚光透镜2设置于标准光束的光路上，用于聚合标准光束。其中，如图2所示，第一聚光透镜2的中心轴线与标准光束的主光轴之间的夹角为预设角度α，第一聚光透镜包括偏心设置的第一自由曲面21和第二自由曲面22，第一自由曲面21的法线和第二自由曲面22的法线之间的偏心位移为预设长度L。RTIR组合棱镜3设置于标准光束的光路上，标准光束穿过第一聚光透镜2后照射至RTIR组合棱镜3，该RTIR组合棱镜3用于调整标准光束的形状。DMD光调制器4邻近RTIR组合棱镜3设置，接收穿过RTIR组合棱镜3的标准光束，并将标准光束转换为影像光束后，发射至RTIR组合棱镜3，RTIR组合棱镜3还用于耦合标准光束的光路和影像光束的光路，并将影像光束反射至外部。

本实施例中，第一自由曲面21和第二自由曲面22可以用如下公式表述：

其中，X为曲面高度，Y为曲面高度在光轴上的投影坐标，A1到A7为位置参数，Co和k为曲率参数

本实施例中，第一聚光透镜2的第一自由曲面21和第二自由曲面22之间存在偏心位移，其相对于不存在偏心位移时，边沿光线的入射角度发生了变化，如图3所示，S1为不存在偏心位移时的光路图，S2为存在偏心位移时的光路图，如A所示，存在偏心位移时，边沿光线的入射角度发生了明显变化，从而很好地控制大角度光线的入射，解决了大角度光线非法控制造成入射到DMD 光调制器4的光线角度与DLP微投影机的镜头可以接收的光线角度难以完全匹配的问题，能进一步提升系统光效，使投影出来的画面亮度更高。

本实施例中，如图4所示，S3为不存在偏心位移时DMD光调制器上的光斑聚焦图，S4为存在偏心位移时DMD光调制器上的光斑聚焦图，S3中DMD光调制器上形成的光斑图在形状上左右严重不对称，而S4中DMD光调制器上形成的光斑图在形状上较为对称，因此，第一聚光透镜2通过第一自由曲面21和第二自由曲面22之间的偏心位移，提高了DMD光调制器4上形成的光斑的对称性，从而提高了整个投影画面两侧的光照度均匀性。

本实施例中，第一聚光透镜2通过第一自由曲面21和第二自由曲面22之间的偏心位移，避免了照射到DMD光调制器两侧的光线的重合度不一致，而导致整个投影画面两侧容易出现彩色色边，且两侧色边颜色不一致的问题。

在上述实施例的基础上，其他实施例中，光积分转换组件1包括依次设置的阵列透镜11、第二聚光透镜12和反射镜13，照明准直光束照射至阵列透镜11，经阵列透镜11转换为标准光束，其中，该标准光束的光斑形状与DMD光调制器4的有效显示区域的形状相同，标准光束经第二聚光透镜12聚合后，照射至反射镜13上，反射镜13用于调整标准光束的光路，该反射镜13优选为高反射镜片，保证其具有较高的反射率。

为了降低生产成本和生产难度，在上述实施例的基础上，其他实施例中，第一聚光透镜2为一体成型的塑料非球面透镜。

本实施例中，第一聚光透镜2为一体成型的塑料非球面透镜，其材料通常为特殊模造塑料或者特殊模造玻璃材料，通过采用模具制造，一体成型，其制作工艺比传统磨制玻璃的方法更为先进，并且效率更高，还降低了生产成本。

在上述实施例的基础上，其他实施例中，以标准光束的主光轴为轴线，该预设角度α的取值范围为：-45°≤α≤45°，即该第一聚光透镜2可向标准光束的主光轴的左侧倾斜0～45°，也可向标准光束的主光轴的右侧倾斜0～45°。

在上述实施例的基础上，其他实施例中，预设长度L的取值范围为：0mm<L≤20mm。

为了避免RTIR组合棱镜的不对称性造成两侧光程差不一致，引起两侧光线失真不一致的问题，在上述实施例的基础上，其他实施例中，RTIR组合棱镜3包括补偿棱镜31和等腰直角棱镜32，补偿棱镜31的斜边和等腰直角棱镜32的斜边胶合，且胶合面设有一薄的空气间隙，影像光束照射至等腰直角棱角32的斜边，在空气间隙的作用下实现全反射。

本实施例中，通过补偿棱镜31正向补偿和调制光束，再配合第一聚光透镜2对光束的调整，从而进一步消除了传统单片式等腰直角棱镜带来的不对称问题。

图5展示了本实用新型DLP微投影仪一种实施例。如图5所示，该DLP微投影仪包括照明准直与合光模组1、镜头2和上述任一项实施例所述的聚光模组3，照明准直与合光模组1发出的照明准直光束照射至聚光模组3，聚光模组3接收照明准直光束并将其转换为影像光束并发射至镜头2，镜头2用于将影像光束投射至外部。

具体地，该聚光模组3包括光积分转换组件、第一聚光透镜、RTIR组合棱镜和DMD光调制器，照明准直与合光模组1发出的照明准直光束照射至光积分转换组件，转换为标准光束后照射至第一聚光透镜，经第一聚光透镜聚合后照射至RTIR组合棱镜，并穿过RTIR组合棱镜照射至DMD光调制器，在DMD光调制器的作用下转换为影像光束，并经DMD光调制器发射至RTIR组合棱镜内，RTIR组合棱镜将影像光束全内反射至镜头，镜头将影像光束投射至外部。

为了避免照明准直与合光模组的结构对镜头的选取产生限制，在上述实施例的基础上，其他实施例中，如图5所示，该照明准直与合光模组1包括第一二向色镜片11、第二二向色镜片12、第一光源13、第二光源14、第三光源15，以及分别与第一光源13、第二光源14、第三光源15对应设置的第一准直透镜组16、第二准直透镜组17、第三准直透镜组18，该第一准直透镜组16、第二准直透镜组17、第三准直透镜组18用于接收分别来自第一光源13、第二光源14、第三光源15发出的光并将光线均匀化。第一二向色镜片11和第二二向色镜片12呈“八”字型设置，第一光源13设置于第一二向色镜片11上，其发出的光平行于镜头2，沿与镜头2朝向相反的方向发射，并且穿过第一二向色镜片11照射至聚光模组3；第二光源14设置于第二二向色镜片12上，其发出的光垂直于镜头2且穿过第二二向色镜片12照射至第一二向色镜片11，经第一二向色镜片11反射至聚光模组3，第三光源15设置于第二二向色镜片12下，其发出的光照射至第二二向色镜片12，经第二二向色镜片12反射至第一二向色镜片11，再经第一二向色镜片11反射至聚光模组3。

本实施例中，该第一二向色镜片11和第二二向色镜片12用于调整第二光源14和第三光源15的光路使得，第一光源13、第二光源14和第三光源15发出的光汇聚为一束照明准直光束，该照明准直光束照射至聚光模组3。通过将第一光源13、第二光源14和第三光源15设置于三个不同的方位，大大缩短了其在镜头2的竖直方向的长度，避免了出现因镜头的长度较短或口径较大而不适用的情况，并且还有利于优化第一光源13、第二光源14和第三光源15的散热结构，使得三个光源的散热结构互相分开、互不干扰，而且该种布局的第一光源13、第二光源14和第三光源15有利于DLP微投影机的整体结构设计和结构地稳定性，尤其是保证了镜头2的结构强度不受照明准直与合光模组干涉。

在上述实施例的基础上，其他实施例中，照明准直与合光模组1还包括中继透镜19，中继透镜19设置于第一二向色镜片11和第二二向色镜片12之间，且位于第二光源14和第三光源15发出的光的光路上。

本实施例中，中继透镜19用于将第二光源14和第三光源15发出的光进行聚合作用，保证光束不会过于分散。

在上述实施例的基础上，其他实施例中，第一光源13、第二光源14和第三光源15分别发出红光、绿光和蓝光中的一种。例如，第一光源13发出红光，第二光源14发出绿光、第三光源15发出蓝光。

以上对实用新型的具体实施方式进行了详细说明，但其只作为范例，本实用新型并不限制于以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该实用新型进行的等同修改或替代也都在本实用新型的范畴之中，因此，在不脱离本实用新型的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本实用新型的范围内。