CN102565896B - 一种棱镜系统及具有该棱镜系统的投影仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种棱镜系统及投影仪，所述棱镜系统包括光楔和与菱形DMD芯片耦合且具有三个竖直平面的等腰直角棱镜；光楔，用于接收入射光，并折射后输出，其中所述光楔的两个通光面为竖直平面；等腰直角棱镜，用于对光楔输出的入射光进行折射后输出至菱形DMD芯片，并根据菱形DMD芯片的控制，对菱形DMD芯片输出的反射光进行反射后输出。该棱镜系统及投影仪能与菱形DMD芯片匹配以实现投影。
Description
技术领域
本发明涉及一种棱镜系统及具有该棱镜系统的投影仪。
背景技术
LED（Light Emitting Diode，发光二极管）微型投影机具有效率高、对比度好、寿命长等优点，在微投市场中具有很重要的地位。目前LED微型投影机主要采用传统的DMD（Digital Micro mirror Device，数字微镜元件）芯片（正交DMD芯片）结合棱镜系统来实现投影的，在传统的DMD芯片中采用正交像素阵列来产生1280×720的图像，每一个微反射镜单元的旋转轴与芯片的长边形成的夹角为45°，即微反射镜单元被专用于显示器件上的一个图形像素，但是为了实现更高的分辨率且同步降低系统成本，新型的DMD芯片采用菱形像素排列方式，为菱形DMD芯片，即微反射镜单元相对于传统的DMD芯片而言被旋转了45°，使得每一个微反射镜单元的旋转轴与芯片的长边形成的夹角为90°，使得现有的棱镜系统就无法与新型的菱形DMD芯片匹配，从而无法实现投影。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的棱镜系统就无法与新型的菱形DMD芯片匹配而无法实现投影的问题，提供一种能与菱形DMD芯片匹配以实现投影的棱镜系统以及具有该棱镜系统的投影仪。
本发明提供一种棱镜系统，所述棱镜系统包括光楔，以及与菱形DMD芯片耦合且具有三个竖直平面的等腰直角棱镜；
光楔，用于接收入射光，并折射后输出，其中所述光楔的入射面和输出面均为竖直平面；
等腰直角棱镜，用于对光楔输出的入射光进行折射后输出至菱形DMD芯片，并根据菱形DMD芯片的控制，对菱形DMD芯片输出的反射光进行全反射后输出不同角度的光束。
本发明还提供一种投影仪，包括光源，光处理单元，棱镜系统，菱形DMD芯片以及投影物镜；
光源，用于产生和输出光束；
光处理单元，用于对从光源输出的光束进行处理并输出入射光；
棱镜系统，用于接收光处理单元输出的入射光并进行全反射后输出；
菱形DMD芯片，与棱镜系统耦合，用于接收棱镜系统输出的入射光，并对该入射光进行反射，以及控制该反射光在棱镜系统内的输出方向；
投影物镜，用于接收棱镜系统输出的反射光，并将该反射光输出至屏幕；
其中所述棱镜系统包括上述的棱镜系统。
本发明的棱镜系统和投影仪与现有技术相比，通过光楔使入射光的角度发生小角度的偏转后进入等腰直角棱镜，经等腰直角棱镜折射后输出至菱形DMD芯片，当菱形DMD芯片接收到入射光后，会对其接收的入射光进行反射，由于具有菱形DMD芯片开和关的两种状态，当菱形DMD芯片处于两种不同的状态时，菱形DMD芯片输出反射光的角度也会不同，菱形DMD芯片输出的反射光经过等腰直角棱镜后输出，此时等腰直角棱镜会根据接收到的反射光角度不同而输出不同角度的反射光，即以两种不同的角度输出该反射光，同时光楔具有两个竖直平面，等腰直角棱镜具有三个竖直平面，使得光楔和等腰直角棱镜的平面与入射光的角度是一定的，因此当入射光以一定的角度进入该棱镜系统时，棱镜系统根据菱形DMD芯片的两种状态只会输出两种不同角度的反射光，即当菱形DMD芯片处于两种不同的状态时，棱镜系统输出的反射光形成两种对比，使得菱形DMD芯片能与该棱镜系统匹配，而且该棱镜系统结构简单，且通过该棱镜系统的光路较为简单，使得折射或者反射的次数减少，从而减小光能的损失，提高光能的利用率。那么具有该棱镜系统的投影仪，该棱镜系统输出两种角度的反射光，其中一种角度的反射光会输出至投影仪的投影物镜，投影物镜便将该反射光输出至屏幕，从而实现投影，而另一角度的反射光无法被投影物镜投射出去，因此能实现两种对比度的投影。
附图说明
图1为本发明投影仪一种实施例的结构示意图。
图2为本发明棱镜系统的菱形DMD芯片处于开状态的第一种实施例结构示意图。
图3为本发明棱镜系统的菱形DMD芯片处于关状态的第一种实施例结构示意图。
图4为本发明棱镜系统的菱形DMD芯片处于开状态的第二种实施例结构示意图。
图5为本发明棱镜系统的菱形DMD芯片处于关状态的第二种实施例结构示意图。
图6为本发明棱镜系统的菱形DMD芯片处于开状态的第三种实施例结构示意图。
图7为本发明棱镜系统的菱形DMD芯片处于关状态的第三种实施例结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
如图2和图3所示，本发明提供第一实施例的棱镜系统，所述棱镜系统包括光楔2，以及与菱形DMD芯片1耦合且具有三个竖直平面的等腰直角棱镜3；
光楔2，用于接收入射光，并折射后输出，其中所述光楔2的入射面21和输出面22均为竖直平面；
等腰直角棱镜3，用于对光楔2输出的入射光进行折射后输出至菱形DMD芯片1，并根据菱形DMD芯片1的控制，对菱形DMD芯片1输出的反射光进行全反射后输出不同角度的光束。
在具体实施中，所述光楔2指折射角很小的棱镜，即入射光经过光楔2后发生较小角度的偏转。而具有三个竖直平面的等腰直角棱镜3即等腰直角棱镜3为直三棱镜。
根据光学原理，如果在光学介质表面的光束以大于全反射临界角度入射到该分界面，则该光束被全反射。当两种具有不同折射率的介质彼此接触时，从一种介质传播到另一种介质的光束将会根据其入射角度来决定其是否能够进入到另一种介质，或者会给全部反射后返回到原来的介质中去。例如，常用的K9玻璃，其折射率n为1.5164，当其处于空气中（折射率n′为1），其中n以及n′分别代表分界面两边玻璃和空气的折射率。假设光束以入射角a从玻璃入射到空气时，而且发生全反射的临界状态时，其从空气中出射的角度为a′=90°。则由Snell’Law求得的全反射临界角度为arcsin[n′sin(a′)/ sin(a)]=41.3°，即当从玻璃进入空气的光束的入射角大于41.3°时，该入射光便会发生全反射。
通过光楔2使入射光的角度发生小角度的偏转后进入等腰直角棱镜3，经等腰直角棱镜3折射后输出至菱形DMD芯片1，当菱形DMD芯片1接收到入射光后，会对其接收的入射光进行反射，由于菱形DMD芯片1的数字微镜单元可以在+12°到-12°的角度范围内反射入射光，因此菱形DMD芯片1具有开和关的两种状态，当菱形DMD芯片1处于两种不同的状态时，菱形DMD芯片1输出的反射光的角度也会不同，菱形DMD芯片1输出的反射光经过等腰直角棱镜3输出，等腰直角棱镜3根据接收的反射光的角度不同而输出不同角度的反射光，即以两种不同的角度输出该反射光，同时光楔2具有两个竖直平面，等腰直角棱镜3具有三个竖直平面，所述竖直平面具体为如图1所示垂直于纸面的平面，使得光楔2和等腰直角棱镜3的平面与入射光的角度是一定的，因此当入射光以一定的角度进入该棱镜系统时，棱镜系统根据菱形DMD芯片1的两种状态只会输出两种不同角度的反射光，即当菱形DMD芯片1处于两种不同的状态时，棱镜系统输出的反射光形成两种对比，使得菱形DMD芯片1能与该棱镜系统匹配，而且该棱镜系统结构简单，且通过该棱镜系统的光路较为简单，使得折射或者反射的次数减少，从而减小光能的损失，提高光能的利用率。
为了实现投影，如图1所示，本发明还提供一种实施例的投影仪，包括光源4，光处理单元，棱镜系统，菱形DMD芯片1以及投影物镜6；
光源4，用于产生和输出光束；
光处理单元，用于对从光源输出的光束进行处理并输出入射光；
棱镜系统，用于接收光处理单元输出的入射光并进行全反射后输出；
菱形DMD芯片1，与棱镜系统耦合，用于接收棱镜系统输出的入射光，并对该入射光进行反射，以及控制该反射光在棱镜系统内的输出方向；
投影物镜6，用于接收棱镜系统输出的反射光，并将该反射光输出至屏幕；
其中所述棱镜系统包括具有光楔2，以及与菱形DMD芯片1耦合且具有三个竖直平面的等腰直角棱镜3；
光楔2，用于接收入射光，并折射后输出，其中所述光楔2的入射面21和输出面22均为竖直平面；
等腰直角棱镜3，用于对光楔2输出的入射光进行折射后输出至菱形DMD芯片1，并根据菱形DMD芯片1的控制，对菱形DMD芯片1输出的反射光进行全反射后输出不同角度的光束。
由于菱形DMD芯片1具有开和关的两种状态，当菱形DMD芯片1处于开的状态时，即数字微镜单元与菱形DMD芯片1所在平面形成夹角为+12°，那么菱形DMD芯片1接收光楔2输出的入射光，经菱形DMD芯片1反射后输出沿轴向设置的反射光，再经过等腰直角棱镜3的反射输出一角度的反射光至投影物镜6，而当数字微镜单元与菱形DMD芯片1所在平面形成夹角为-12°时，再经过第二棱镜的折射输出另一个角度反射光不输出至投影物镜6，即与菱形DMD芯片1耦合的上述棱镜系统根据菱形DMD芯片1的状态输出两个角度的反射光，那么当其中一角度的反射光输出至投影物镜6时，投影物镜6将该反射光输出至屏幕，从而实现投影，另一个角度的反射光必然无法输出至投影物镜6，因此能实现两种对比度的投影，即上述棱镜系统能与菱形DMD芯片1匹配。
在具体实施中，所述光源4具体为LED(Light Emitting Diode，发光二极管)三色光源，用于产生和输出R、G、B三色光，即输出红、绿、蓝的三色光。
进一步，所述光处理单元包括准直透镜组件51，三色合成透镜52，复眼透镜组53以及积分透镜54；
准直透镜组件51，用于接收从LED三色光源输出的光束，并输出R、G、B三色平行光；
三色合成透镜52，用于将准直透镜组件输出的R、G、B三色平行光合成混合平行光并输出；
复眼透镜组件53，用于接收三色合成透镜输出的平行光，并输出具有与菱形DMD芯片1匹配的光斑的平行光；
积分透镜54，用于将所述复眼透镜组件53输出的平行光汇聚输出至棱镜系统。
在具体实施中，每种颜色的光源前方设置一组准直透镜组件51，将每种颜色的发散光变成平行光，可以提高LED光源的利用率，再将三种颜色的平行光通过三色合成透镜52混合形成混合平行光输出，可以在空间上有效地缩小投影仪的结构，同时能提高投影仪的光利用率。而通过复眼透镜组件53可以对混合平行光的光斑进行整形，如果输出到菱形DMD芯片1的光斑比菱形DMD芯片1大，那么只有输出至菱形DMD芯片1上的光能被反射利用，其余的光能都会损失，优选情况下，将光斑整形成与菱形DMD芯片1的形状匹配的状态，如果输出至菱形DMD芯片1上的光斑不均匀，最终投影出来的光也是不均匀的，会影响投影效果，图像就会出现一边亮，一边暗的效果。为了提高光能利用率以及投影画面均匀性，因此通过复眼透镜组件53可以将混合平行光的光斑变成均匀的光斑且该光斑能与菱形DMD芯片1匹配。然后再将复眼透镜组件53输出的光束通过积分透镜54汇聚输出至棱镜系统，即输出至光楔2。
进一步，在第一种实施例的棱镜系统中，所述等腰直角棱镜3的三个竖直平面包括第一平面31、第二平面32以及第三平面33；
第一平面31，用于对光楔2输出的入射光进行折射后输出；
第二平面32，与菱形DMD芯片平行，用于将第一平面31输出的入射光折射后输出至菱形DMD芯片1，并对菱形DMD芯片1输出的反射光进行折射后输出至第一平面31；
第一平面31，还用于对第二平面32输出的反射光进行全反射；
第三平面33，与所述第二平面32相互垂直，用于输出第一平面31输出的反射光。
从上述的方案可以看出，第一平面31为图2上所示的直角等腰三角形的斜边，而第二平面32和第三平面33为直角等腰三角形的直角边，因此第一平面31与第二平面32形成的夹角为45°，第一平面31与第三平面33形成的夹角为45°。当菱形DMD芯片1处于开状态，如图2所示，第一平面31对光楔2输出的入射光进行折射后输出，经第二平面32将第一平面31输出的入射光折射后输出至菱形DMD芯片1，由于数字微镜单元与菱形DMD芯片1所在平面形成夹角为+12°，此时菱形DMD芯片1输出反射光以几乎垂直第二平面32的角度经过第二平面32后，输出至第一平面31上，那么在该等腰直角棱镜中，该反射光与第一平面31形成的夹角大约在45°，该角度大于全反射临界角，因此该反射光在第一平面31上内部全反射后输出至第三平面33，经过第三平面33输出竖直的反射光，投影物镜6将该反射光输出至屏幕，从而实现投影。
当菱形DMD芯片1处于关状态时，如图3所示，第一平面31对光楔2输出的入射光进行折射后输出，经第二平面32将第一平面31输出的入射光折射后输出至菱形DMD芯片1，由于数字微镜单元与菱形DMD芯片1所在平面形成夹角为-12°，此时菱形DMD芯片1输出的反射光以几乎36°的角度输出至第二平面32，所述第二平面32对菱形DMD芯片1输出的反射光进行折射后输出至第三平面33，接着第三平面33对第二平面32输出的反射光进行反射后输出另一角度的反射光，不会被投影物镜6进行投射，因此该投影仪可以达到较高的对比度。
进一步，入射面21，用于接收入射光，并折射后输出；
输出面22，用于将入射面21输出的入射光折射后输出。
通过入射面21进行折射后，由于所述光楔2的入射面21与所述输出面22形成较小的角度，入射面21输出的入射光经输出面22折射后的入射光也只会发生较小角度的偏转。在本实施例中，所述入射面21和输出面22形成的夹角为6-8°，使得入射光经过该光楔2折射后入射光，再经过等腰直角棱镜3的第一平面31和第二平面32折射后输出的入射光能与菱形DMD芯片1所在平面形成的夹角几乎为24°，那么当菱形DMD芯片1处于开状态时，其输出与其所在平面垂直的反射光，而当菱形DMD芯片1处于开状态时，其输出的反射光与第二平面形成的夹角几乎为36°。
进一步，为了提高投影仪的成像效果，光楔2和等腰直角棱镜3均应采用低折射率，高色散值的玻璃材质，折射率和色散范围可在n<1.55，v>50，本实施例中，光楔2和等腰直角棱镜3均采用BK7或K9型号的玻璃材质，其材料折射率和色散分别为n=1.5164、v=64.1333，从而进一步提高投影仪的成像效果。
进一步，为了减少从空气到光楔2的光能损失，所述入射面21与所述入射光相互垂直，那么入射光与入射面21形成90°的夹角，便会沿着入射面21的法线直接透射进入光楔2中，光能的损失较小且不会发生角度的偏转，如果，所述入射面21与所述入射光不垂直，从而入射光有可能反射或经入射面21发生角度偏转，使得从空气到光楔2的光能损失增加且使得入射光发生大角度的偏转，因此所述入射面21与所述入射光相互垂直。使得从空气到光楔2的光能损失减少且能与所述菱形DMD芯片1配合。
在具体实施中，本发明还提供第二种实施例的棱镜系统，如图4和图5所示，为了使光楔2中入射光与等腰直角棱镜3中的入射光角度不会发生偏转，所述输出面22与所述第一平面31耦合且平行设置。在具体实施中，输出面22与所述第一平面31的耦合通过空气间隙层进行耦合，便于输出面22与所述第一平面31之间的安装和拆卸。在本实施例中，所述入射面21和输出面22形成的夹角为2-5°，使得该光楔2能与所述菱形DMD芯片1配合。
进一步，为了提高投影仪的成像效果，光楔2和等腰直角棱镜3均应采用低折射率，高色散值的玻璃材质，折射率和色散范围可在n<1.55，v>50，本实施例中，光楔2和等腰直角棱镜3均采用BK7或K9型号的玻璃材质，其材料折射率和色散分别为n=1.5164、v=64.1333，从而进一步提高投影仪的成像效果。
在具体实施中，本发明还提供第三种实施例的棱镜系统，如图6和图7所示，所述用于汇聚光束的积分透镜54包括弧形面541和直平面542，
弧形面541，用于接收入射光并汇聚所述入射光；
直平面542，与所述光楔2的入射面21耦合，用于接收弧形面541输出的入射光并输出至所述入射面21。由于入射面21为竖直平面，通过所述直平面542，便于和所述光楔2配合，而且积分透镜54与所述光楔2耦合，使得积分透镜54与所述光楔2可以形成一个整体，从而提高棱镜系统的可靠性，以及简化棱镜系统的结构。
进一步，所述直平面542与所述光楔2的入射面21贴合粘接，由于积分透镜54与所述光楔2耦合，即通过空气间隙层进行耦合，但是直平面542与所述光楔2的入射面21之间通过空气间隙层进行的耦合，积分透镜54与所述光楔2便很容易分开，优选情况下，所述直平面542与所述入射面21通过光学胶进行贴合粘接，使得积分透镜54与所述光楔2完全形成一个整体，进一步提高棱镜系统的可靠性，以及简化棱镜系统的结构。为了使所述菱形DMD芯片1能与该棱镜系统配合，在具体实施中，所述菱形DMD芯片1位于积分透镜54的光束汇聚点附近即可。
进一步，在本实施例中，所述入射面21和输出面22形成的夹角为6-8°，使得该光楔2能与所述菱形DMD芯片1配合。
进一步，为了提高投影仪的成像效果，光楔2和等腰直角棱镜3均应采用低折射率，高色散值的玻璃材质，折射率和色散范围可在n<1.55，v>50，本实施例中，光楔2和等腰直角棱镜3均采用BK7或K9型号的玻璃材质，其材料折射率和色散分别为n=1.5164、v=64.1333，从而进一步提高投影仪的成像效果。
进一步，为了使得实现棱镜系统的工艺更加简单，所述积分透镜54还可以与所述光楔2一体成型，那么此时光楔2的材料与积分透镜54的材料一样，采用低折射率，高色散值的塑料材质，其折射率和色散范围可在n<1.55，v>50优选情况下，采用PMMA型号的塑料材质，其折射率和色散分别为n=1.4918、v=57.3274，而等腰直角棱镜3还是采用BK7或K9型号的玻璃材质。
进一步，当所述积分透镜54与所述光楔2一体成型时，为了使得该光楔2能与所述菱形DMD芯片1配合，所述入射面21和输出面22形成的夹角为9-14°。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种投影仪，其特征在于，包括光源，光处理单元，棱镜系统，菱形DMD芯片以及投影物镜；
光源，用于产生和输出光束；
光处理单元，用于对从光源输出的光束进行处理并输出入射光；
棱镜系统，所述棱镜系统包括光楔，以及与菱形DMD芯片耦合且具有三个竖直平面的等腰直角棱镜；所述光楔，用于接收光处理单元输出的入射光，并折射后输出，其中所述光楔的入射面和输出面均为竖直平面；所述等腰直角棱镜，用于对光楔输出的入射光进行折射后输出至菱形DMD芯片，并根据菱形DMD芯片的控制，对菱形DMD芯片输出的反射光进行全反射后输出不同角度的光束；
菱形DMD芯片，与棱镜系统耦合，用于接收棱镜系统输出的入射光，所述菱形DMD芯片具有开和关两种状态，通过所述两种状态反射该入射光并输出不同角度的反射光， 以控制该反射光在棱镜系统内的输出方向；
投影物镜，用于接收棱镜系统输出的反射光，并将该反射光输出至屏幕。
2.如权利要求1所述的投影仪，其特征在于，光源为LED三色光源，用于产生和输出R、G、B三色光。
3.如权利要求2所述的投影仪，其特征在于，所述光处理单元包括准直透镜组件，三色合成透镜，复眼透镜组件以及积分透镜；
准直透镜组件，用于接收从LED三色光源输出的光束，并输出R、G、B三色平行光；
三色合成透镜，用于将准直透镜组件输出的R、G、B三色平行光合成混合平行光并输出；
复眼透镜组件，用于接收三色合成透镜输出的平行光，并输出具有矩形光斑的平行光；
积分透镜，用于将所述复眼透镜组件输出的平行光汇聚输出至棱镜系统。
4.如权利要求3所述的投影仪，其特征在于，积分透镜包括弧形面和直平面；
弧形面，用于接收入射光并汇聚所述入射光；
直平面，与所述入射面耦合，用于接收弧形面输出的入射光并折射后输出至所述光楔的入射面。
5.如权利要求4所述的投影仪，其特征在于，所述直平面与所述光楔的入射面贴合粘接。
6.如权利要求4所述的投影仪，其特征在于，所述积分透镜与所述光楔一体成型。
7.如权利要求6所述的投影仪，其特征在于，所述入射面和输出面形成的夹角为9-14°。
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