一种高效照明装置和单LCD投影机光学系统的制作方法

一种高效照明装置和单lcd投影机光学系统
技术领域
1.本实用新型涉及投影机技术领域，尤其涉及一种高效照明装置和单lcd投影机光学系统。


背景技术：

2.目前的国产单lcd投影机从led光源发出的光线由照明装置进行聚光和准直后对lcd光阀进行照明。通常照明装置为一个光斗(也称“空心方锥形聚光器”)加一片菲涅尔透镜(简称菲镜)的组合方式(简称光斗照明，后同)。这种照明装置成本极低，制作简单，但照明效率低，照射均匀度低，受光斗材料性能和制作精度影响而产品一致性不佳。参见图4所示包含光斗照明的单lcd投影机光学系统，按光线行进方向依次设置了led光源1
″
、光斗21
″
、前菲镜32
″
(起准直作用)、lcd光阀4
″
、场镜5
″
(一般用菲镜并称作“后菲镜”)、成像反射镜6
″
和投影镜头7
″
。通常led光源1
″
、光斗21
″
的入口、光斗21
″
的出口和前菲镜32
″
依次相贴合安装，而图4中该材料之间留出了一定的间隙是便于观察理解。
3.或者照明装置为一个聚光镜加一片菲镜的组合方式(简称聚光镜照明，后同)，这种照明装置在实践中成本和照明效率都比上述光斗照明方式稍高。参见图5所示包含聚光镜照明的单lcd投影机光学系统，按光线行进方向依次设置了led光源1
′
、聚光镜2
′
、前菲镜32
′
、lcd光阀4
′
、场镜5
′
、成像反射镜6
′
和投影镜头7
′
，聚光镜2
′
一般为平凸面型的自由曲面透镜且平面为入射面。此方式不足之处是聚光镜2
′
材料的折射率低(因为较高折射率的材料成本太高，单lcd投影机对成本又非常敏感)，为了获得较高的聚光效率，在主光线立体角对应之外的部分，聚光镜2
′
出射面(凸面)的坡比必须设计得非常大，导致聚光镜2
′
制作困难且制作良率不高，同时对lcd光阀4
′
照射的均匀度也难以设计制作得尽善尽美。结合成本看，对于在聚光镜2
′
的凸面镀增透膜来改善透射率，会有极大的成本压力，所以几乎都选择不予镀膜，这样聚光镜2
′
的主光线透射效率和边缘光线(主光线立体角之外)传输效率又进一步打了折扣。
4.在长期的单lcd投影机研发和生产实践中，人们并没有较好的办法去解决上述存在的问题。如图4包含的光斗照明方式在实际产品上，照明效率很难突破55％-60％，同时照射均匀度即lcd光阀上照度最低值/照度最高值，只有35％-45％左右。而图5包含的聚光镜照明方式，由于如聚光镜2
′
因为成本压力而只能局限使用较低折射率的材料，即便在设计特别优秀时，照明效率也不过60％-63％左右(这还是未考虑聚光镜两个面的反射损失的前提下)，照射均匀度也只有50％-55％左右，以这样的参数指标制作的投影机产品，随着消费者对视频产品体验需求的提高，在用户投诉比例中所占权重已越来越大。
5.在上述现有的照明方式中，本实用新型在遵照光学扩展量(简称光展，后同)传递规律的前提下，设计的一种高效照明装置和单lcd投影机光学系统，可显著提升照明效率和照射均匀度，且能显著降低聚光镜凸面的坡比和制作难度，对改善投影机品质的耐久性和用户观看体验美感等都有着积极作用。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的就在于克服现有技术的不足，提供了一种高效照明装置和单lcd投影机光学系统，可显著提升照明效率和照射均匀度，且能显著降低聚光镜凸面的坡比和制作难度，对改善投影机品质的耐久性和用户观看体验美感等都有着积极作用。
7.为实现上述目的，本实用新型提供了一种高效照明装置，包括按光线行进方向依次设置的聚光器和聚光准直透镜组。
8.所述聚光器为光斗时，所述聚光准直透镜组为透镜，所述透镜的出射面为凸面型的自由曲面。
9.或者所述聚光器为聚光镜，所述聚光镜的出射面为凸面型的自由曲面时，所述聚光准直透镜组为透镜，所述透镜为平凸面型、凹凸面型或者双凸面型中的任一种，且所述透镜的出射面为凸面型的自由曲面。
10.或者所述聚光器为聚光镜，所述聚光镜的出射面为凸面型的自由曲面时，所述聚光准直透镜组包括按光线行进方向依次设置的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为平凸面型、凹凸面型或者双凸面型中的任一种，且所述第一透镜的出射面为凸面型的自由曲面，所述第二透镜为菲涅尔透镜。
11.本实用新型还提供了一种单lcd投影机光学系统，包括所述的高效照明装置，还包括led光源、lcd光阀、场镜、成像反射镜和投影镜头，所述led光源、高效照明装置、lcd光阀、场镜、成像反射镜和投影镜头按光线行进方向依次设置。
12.本实用新型的有益效果：
13.本实用新型高效照明装置包括聚光器和聚光准直透镜组，其中聚光器为光斗或聚光镜，聚光准直透镜组为一枚透镜或者包括第一透镜和第二透镜，其透镜的使用除了起到克服现有前菲镜的弊端维持光展的规则传输外，对来自于聚光器的照明光线，可以通过对透镜在基本层面的光学设计(需要结合整个光学系统进行)和制作，对lcd光阀可获得趋于设计理想的照明性能，包括但不限于照明效率和照射均匀性的显著提升。
14.本实用新型中透镜和菲镜哪怕都是平凸透镜(或等效于)的结构，但透镜因为厚度选择比菲镜可操作的空间自由得多，且出射面的面型(自由曲面连续过度)和菲镜原理也有本质不同，同时完全不存在菲镜无效区和斜面全反射损失等本质性不利因素。故本实用新型照明效率可轻松突破68％-70％以上，且按前述计量方式对lcd光阀的照射均匀度也可以轻松突破75％-80％以上，获得诸如使用了真正的光学积分器如复眼透镜阵列的照射均匀度效果，为用户对投影画面的体验带来根本性改观。
附图说明
15.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本实用新型单lcd投影机光学系统实施例一的立体图；
17.图2为本实用新型单lcd投影机光学系统实施例二的立体图；
18.图3为本实用新型单lcd投影机光学系统实施例三的立体图；
19.图4为包含光斗照明技术的现有投影机光学系统的结构示意图；
20.图5为包含聚光镜照明技术的现有投影机光学系统的结构示意图；
21.图6是图5中聚光镜的结构示意图；
22.图7是图5中聚光镜的进一步说明结构示意图。
具体实施方式
23.为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。
24.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
25.需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
27.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
28.以下结合单lcd投影机光学系统说明本实用新型设计的一种高效照明装置的优势，本实用新型高效照明装置可显著提升照明效率和照射均匀度，且能显著降低聚光镜凸面的坡比和制作难度，对改善投影机品质的耐久性和用户观看体验美感等都有着积极作用，
29.实施例一
30.参见图1所示，本实施例提供的一种单lcd投影机光学系统，包括led光源1、高效照明装置、lcd光阀4、场镜5、成像反射镜6和投影镜头7。所述led光源1、高效照明装置、lcd光阀4、场镜5、成像反射镜6和投影镜头7按光线行进方向依次设置。所述高效照明装置包括按光线行进方向依次设置的聚光器和聚光准直透镜组。所述聚光器为一个聚光镜2，所述聚光镜2的入射面为平面，且出射面为凸面，此时聚光镜2俗称为平凸面型，且聚光镜2的出射面为凸面型的自由曲面；如果聚光镜2的入射面为凹面，且出射面为凸面时，此时聚光镜2俗称为凹凸面型；如果聚光镜2的入射面为凸面，且出射面为凸面时，此时聚光镜2俗称为双凸面型。
31.本实施例中，所述聚光准直透镜组为透镜3，所述透镜3为平凸面型，且所述透镜3
的出射面为凸面型的自由曲面。当然透镜3还可以是凹凸面型或者双凸面型。本实施例采用平凸透镜，是因为平凸面型相比于凹凸面型或者双凸面型而言制作简单，性价比较高。
32.显而易见地，所述透镜3具有对光线进行再次聚光整形和对照射lcd光阀4的光线进行准直的作用。
33.参见图4所示，实际上任何的单lcd投影机，对光斗21
″
的长度尺寸限定都比较大，其一是出于对光斗21
″
内壁反射次数和反射损失的权衡，其二是投影机外形体积的考量。所以前菲镜32
″
(齿面朝向lcd光阀安装)的焦距一般也就相应地取值较小或者说较短(绝大多数投影机前菲镜32
″
焦距都小于lcd光阀4
″
的对角线尺寸)，由于现在单lcd投影机所使用的光阀尺寸基本都在5寸内，前菲镜32
″
的焦距远小于125mm，因此前菲镜32
″
对照明光线的损失非常大，包括但不限于齿(螺纹)面的死区(俗称无效区)和齿的斜面的全反射损失，严重时可达20％以上，即便菲镜的齿面镀了增透膜，也无济于事。因为光线从光密质射入光疏质时，如果发生全反射，依赖于在交界面上镀增透膜的方式避免全反射，是没有什么意义的。
34.对来自于光斗21
″
的光线，前菲镜32
″
的光线损失还不仅仅是局限于上述效率方面，对菲涅尔形式的这种薄透镜，不管是采用模压还是注塑的工艺，菲镜的制作工艺过程几乎都无法实现光学设计的面型效果，即便是设计出了对齿面的有效斜面(也称有效锥面)面型进行所需要的合理修正优化，使照明光线的光展尽量减少溢出，但制作出的菲镜产品几乎都根本不能实现这种优化设计的效果。
35.用于lcd光阀照明端准直的前菲镜和作为成像端场镜用途的后菲镜(齿面朝向lcd光阀安装)即场镜，在上述光学系统上的积极作用或者弊端刚好相反。见图4和图5，场镜5
′
或者场镜5
″
因为是菲镜(一般厚度为1.5mm-2mm)，对减小成像的像差等指标帮助是非常显著的。而用作准直的前菲镜32
′
或者前菲镜32
″
，对像差起到明显的恶化作用，也是因为厚度太薄的缘故(一般厚度也为1.5mm-2mm)，这也是照明光线光展溢出的重要原因。
36.而图5所示的传统聚光镜照明技术的不足，包括聚光镜2
′
和前菲镜32
′
的进一步阐述，参见实施例二。
37.继续参见图1，所以本实施例用透镜3除了起到克服现有前菲镜的弊端维持光展的规则传输外，对来自于聚光镜2的照明光线，可以通过对透镜3在基本层面的光学设计(需要结合整个光学系统进行)和制作，对lcd光阀4可获得趋于理想设计的照明性能，包括但不限于照明效率和照射均匀性的显著提升。因为透镜3和菲镜哪怕都是平凸透镜(或等效于)的结构，但透镜3因为厚度选择比菲镜可操作的空间自由得多，且出射面的面型(自由曲面连续过度)和菲镜原理也有本质不同，同时完全不存在菲镜无效区和齿的斜面全反射损失等本质性不利因素。故本实施例照明效率可轻松突破68％-70％以上，且按前述计量方式对lcd光阀4的照射均匀度也可以轻松突破75％-80％以上，获得诸如使用了真正的光学积分器如复眼透镜阵列的照射均匀度效果，为用户对投影画面的体验带来根本性改观。
38.本实施例非常适用于lcd光阀尺寸≤3寸的场合，这样投影机的体积和图4、图5所示传统原理的光学系统相比，仍然属于同等尺寸规格范围。同时由于lcd光阀的尺寸较小，透镜3带来的成本增加(透镜3减去如前菲镜32
′
的成本之后)，是微不足道的，使得投影机仍然保留了极高的性价比。
39.另外针对于上述lcd光阀尺寸较小的应用，如果投影机输出同样的亮度，lcd光阀尺寸越小，则往往意味着照射在前菲镜32
′
上的光线能量密度也越大。很显然，采用玻璃材
料的透镜3，其耐久性比采用亚克力材料(pmma)的前菲镜32
′
，有着本质性的不同。
40.实施例二：
41.参见图2所示，本实施例提供的一种单lcd投影机光学系统，包括led光源1、高效照明装置、lcd光阀4、场镜5、成像反射镜6和投影镜头7。所述led光源1、高效照明装置、lcd光阀4、场镜5、成像反射镜6和投影镜头7按光线行进方向依次设置。所述高效照明装置包括按光线行进方向依次设置的聚光器和聚光准直透镜组。本实施例中，所述聚光器为一个聚光镜2，所述聚光镜2为平凸面型，且所述聚光镜2的出射面为凸面型的自由曲面。
42.本实施例中，所述聚光准直透镜组包括按光线行进方向依次设置的第一透镜31和第二透镜32。所述第一透镜31为平凸面型，且出射面为凸面型的自由曲面，所述第二透镜32为菲涅尔透镜，当然第一透镜31并不局限于平凸面型。
43.如前述继续参见图1，考虑性价比因素时，在lcd光阀尺寸较大时(如4.5寸-5寸)，应用实施例一的技术，由于透镜3的口径也相应大幅度增大(通光口径需要》lcd光阀的尺寸)，会导致投影机成本和重量都较明显升高和增大。所以本实施例在确保照明效率、照射均匀度获得显著提升的前提下，使投影机的成本、重量等指标仍然维持在较理想的价位和范围以内。
44.很显然，图5所示的聚光镜照明技术的局限性前面已经有过描述。针对图5光学系统希望于提升照明效率和改善照射均匀度的改进办法，理论上增加聚光镜2
′
的厚度，进而可以进一步增加聚光镜2
′
出射面的坡比，压缩照射前菲镜32
′
的光线立体角，也可实现拉远前菲镜32
′
和聚光镜2
′
的距离，进而实现增大前菲镜32
′
的焦距，以降低前菲镜32
′
齿面的光线损失而提升照明效率。同时，优化聚光镜2
′
出射面的面型，使对lcd光阀4
′
照明时获得更好的均匀度。可惜这些办法都仅仅是理论上的，实践中完全行不通。
45.参见5-7，a点为聚光镜2
′
入射面的中心点，o点为聚光镜2
′
出射面的顶点，直线ao为光轴。由于聚光镜2
′
具有绕光轴ao旋转对称的特性，任意用一个包含直线ao的平面，将聚光镜2
′
剖切开，在聚光镜2
′
剖切面的轮廓线上(凸面上)任意取一段微小长度元(微元)线段，作微元线段的垂线。该垂线和微元线段交于c点，和光轴交于b点，光轴ao和垂线bc的夹角θ的正切值即为所述微元线段的坡比。由图6不难看出，离聚光镜2
′
顶点o越远的区域，坡比越大，通俗说就是表征着微元线段相对于聚光镜2
′
入射面的坡度越陡峭。
46.led光源1
′
发出的任意一根光线de自聚光镜2
′
的e点射入，经聚光镜2
′
折射后，在出射面的f点射出，并沿fg继续前进。
47.聚光镜2
′
的坡比大于一定值之后，在f点处会产生全反射而破坏光线的传输，同时还致使聚光镜2
′
在制作时和在镀增透膜时，成本带来大幅度的升高，且品质也难以被保障。这些都根本性制约了聚光镜照明技术(图5所示)的效率。由于自由曲面面型的大坡比和前菲镜32
′
的像差，致使照明光展的不可控溢出，且通常会造成lcd光阀4
′
上照度严重不均匀(出现局部亮斑)。
48.减小聚光镜2
′
的坡比，可增大照射前菲镜32
′
光线的立体角，要实现合理的准直性(照明光线满足投影镜头7所限制的lcd光阀4的光展)和不至于严重打折扣(比如降低30％以上)的照明效率，必须进一步减小前菲镜32
′
的焦距才行，这又进一步增大了前菲镜32
′
的齿面效率损失，同时进一步增大了前菲镜32
′
的像差(还有渐晕等等不利指标)。
49.或者增大聚光镜2
′
的坡比，在聚光镜2
′
的坡比增大到一定程度后，上述陡峭的曲
面在制作时，是完全不能确保尺寸精度和所需的光洁度等级的，所以增大坡比与优化曲面面型，都几乎是枉然。这也是图5所代表现有技术的根本性工程局限。
50.参见图2应用本实施例方式，由于增加了一个自由曲面(第一透镜31)对光线进行整形，使得聚光镜2的出射面不再需要那么大的坡比，便可对led光源1获得较理想的聚光效率。同时对照射lcd光阀4的光线整形，增加了更加容易的设计维度。自然而然地，第二透镜32在不明显增加安装距离的前提下，可以显著地加大焦距值，减小像差和渐晕的不良影响，以及改善齿面的传输效率。
51.所增加的第一透镜31，安装时候由于紧靠聚光镜2，所以几何孔径、厚度等指标都不至于过大，故所增加的成本非常有限。而相对于照明效率的提升，照射均匀度的改善，以及聚光镜2的制作良率，成本的降低等等综合考量，本实施例略微增加成本也是非常值得的。
52.本实施例尤其适用于lcd光阀尺寸较大的情况，比如≥4.5寸。
53.实施例三：
54.参见图3所示，本实施例提供的一种单lcd投影机光学系统，包括led光源1、高效照明装置、lcd光阀4、场镜5、成像反射镜6和投影镜头7。所述led光源1、高效照明装置、lcd光阀4、场镜5、成像反射镜6和投影镜头7按光线行进方向依次设置。所述高效照明装置包括按光线行进方向依次设置的聚光器和聚光准直透镜组。本实施例中，所述聚光器为一个光斗21。
55.本实施例中，所述聚光准直透镜组为一枚透镜3，所述透镜3为平凸面型，且出射面为凸面型的自由曲面。
56.本实施例中，led光源1的发光面、光斗21的入口、光斗21的出口和透镜3的入射面依次相贴合安装，而图3中各材料之间故意留有一定的距离是便于观察理解。
57.如前所述，本实施例针对现有光斗照明技术方式，在照射均匀度方面可以实现巨大幅度的提升，合理的设计透镜3后，lcd光阀4的照射均匀度可达80％-85％以上，但如果lcd光阀4尺寸较大时，则本实施例和实施例一类似，性价比和投影机重量会做出酌情的牺牲，不过针对当下消费者越来越高标准的诉求，本实施例技术仍然具有较好的实施价值，尤其是相对较高端一些的单lcd投影机细分市场。
58.参见图4，根据光学原理和单lcd投影机实际产品情况，光斗21
″
的长度是非常局限的，所以需要前菲镜32
″
的焦距也很短，这会导致led光源1
″
发出的光线，经光斗21
″
和前菲镜32
″
后造成不可控的光展溢出(无规律增大)，这也是此类照明方式的投影机，lcd光阀4
″
散热非常困难的重要原因(很多照射lcd光阀4
″
的光线都是无用的)。这里一个重要的因素就是前菲镜32
″
无法对光斗21
″
射出的光线，除了产生简单的折射效果外，不能进行任何的均匀化处理，对光线的均匀照明完全依赖于光斗21
″
的均光效果，而光斗21
″
的长度又比较短，从而均光性能本身就不佳，即在lcd光阀4
″
中央聚集了大量光线。
59.而本实施例由于透镜3的厚度(通常需要20mm-28mm)远远大于前菲镜32
″
的厚度，所以原本一些叠加在lcd光阀中央的光线，因为光程显著地、有目的地增加，变为了照射在lcd光阀的其它区域上，起到了进一步的均光效果，使照射lcd光阀4的均匀度显著提升。
60.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述
的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。