DLP投影機(jī)光學(xué)概述

1、DLP投影機(jī)光學(xué)概述DLP投影機(jī)光學(xué)概述光在投影機(jī)中是非常重要的，沒有光，就沒有影像被投射出來， 光路設(shè)計的瑕疵，或者光路中元件有質(zhì)量問題的話，不僅使投影機(jī)投 影出的影響會產(chǎn)生亮度低、亮度不均勻、整機(jī)功率消耗過大，還會為 投影機(jī)產(chǎn)品的壽命大大縮短。光路出現(xiàn)問題，或者光路的幾何尺寸公 差過大，將會直接導(dǎo)致投影影像亮度變低、顏色出現(xiàn)偏差及投影影像 的幾何畸形。在投影機(jī)光路中，除去光源燈外，UV/IR鍍膜玻璃、分色元件（色 輪）、勻光元件（光棒）、中繼鏡片組（場鏡）及鏡頭等是光所經(jīng)過 的全部元器件，它們質(zhì)量的優(yōu)劣、設(shè)計的好壞將直接影響著每一臺投 影機(jī)亮度的高低、圖象質(zhì)量的好壞。但從根本上講，都是光路

2、設(shè)計的 優(yōu)劣所決定的，而這些，就成為投影機(jī)除去芯片外價格千差萬異的又 一個因素。投影機(jī)單純就光路來說，也就分為兩種，單片機(jī)和三片機(jī)，（對 于DLP中的兩片機(jī)，我們可以用簡單的理論把它歸入三片機(jī)中去！） 兩種光路是不同的！前者是采用空間混色原理進(jìn)行空間混色的！ 而后 者的混色是疊加合成的！前者光路簡單但投影效果差，后者光路復(fù)雜 但投影效果好！在價格上也是前者廉價，而后者昂貴！投影機(jī)的光路系統(tǒng)中，包含照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)兩部分， 在大多 數(shù)情況下，兩者可以分別獨立設(shè)計。但在有些情況下，系統(tǒng)中包含場 鏡，場鏡同時位于照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)中，這樣就不能分別獨立設(shè)計。照明光路是用來將光棒出口成像于 DMD處

3、，其結(jié)構(gòu)可分為遠(yuǎn)心 和非遠(yuǎn)心兩種。遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)（參照圖1）中，照明系統(tǒng)的出瞳（投影物 鏡的入瞳）位于DMD平面無窮遠(yuǎn)處或者足夠遠(yuǎn)的位置上，照射到每 一個小反射鏡上光束的主光線相互平行，通常采用TIR棱鏡區(qū)分入射和出射光路。為了最有效地利用光能，同時保證系統(tǒng)的對比度，照 明光路的光軸與成像光路的光軸之間的夾角為微反射鏡轉(zhuǎn)動角度的2倍。遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于系統(tǒng)亮度均勻性好，結(jié)構(gòu)緊湊，投影物鏡 的后工作距離短，調(diào)焦時不會引起圖像放大率的變化， 而且采用TIR 棱鏡便于實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的偏心系統(tǒng)設(shè)計。 同時，遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)對照明系統(tǒng)和 投影物鏡的光闌的位置匹配要求寬松， 二者可單獨設(shè)計，較低了系統(tǒng) 設(shè)計的復(fù)雜度。遠(yuǎn)心結(jié)

4、構(gòu)的一個主要缺點是引入的TIR棱鏡不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，棱鏡各表面的反射也會降低系統(tǒng)的能量利 用率。二是照明光束與其它狀態(tài)光束之間間隔小， 無用的雜散光容易 進(jìn)入投影物鏡引起系統(tǒng)對比度下降。 另外，系統(tǒng)采用偏心設(shè)計時，會 引起投影物鏡口徑的增大，導(dǎo)致整個系統(tǒng)體積的增加TIR Prism非遠(yuǎn)心光路（圖2）的出瞳位于DMD平面附近，同樣要求投影 物鏡的入瞳和其相匹配。非遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)中，照明光束在DMD芯片上的 入射角較遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)中更大，增加了成像光路和照明光路的分離程度， 提高了系統(tǒng)的對比度。同時，入射角的增大增加了 TIR棱鏡的設(shè)計 難度，因此非遠(yuǎn)心系統(tǒng)不采用 TIR棱鏡，而是綜合考慮機(jī)構(gòu)、照

5、明 光路和投影物鏡的設(shè)計，實現(xiàn)空間上的光路分離。對于非遠(yuǎn)心光路， 照射到各個反射鏡上的主光線相互會聚， 不同位置上的照明光的入射 角不同，導(dǎo)致暗場均勻性變差。經(jīng)由DMD芯片反射的出射光的主光 線同樣存在會聚和傾斜，要求投影物鏡采用偏心結(jié)構(gòu)。非遠(yuǎn)心系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)比較簡單，所需光學(xué)元件少，投影物鏡的后組尺寸較小，易于照 明光路和出射光路的分離。Offset Projection LensIntegrator RodRelay OpticsFolding MirrorsDMDColor Wheel下面就分別介紹一下投影機(jī)光路系統(tǒng)中所包含的光學(xué)部件的設(shè) 計考慮因素及主要功用。一、光源（燈泡）燈的選擇主要

6、考慮以下因素：1、 投影機(jī)大小、噪音、重量的目標(biāo)值2、 壽命3、 光譜分布4、 光譜及弧長的穩(wěn)定性5、 光效率6、 對安裝位置的要求（不恰當(dāng)?shù)陌惭b位置影響壽命）二、反光杯：反光杯的作用是收集光源發(fā)出的光，并把它傳送到照明系統(tǒng)中。同時，還需考慮如下特性：1、 鍍冷反光膜，減小進(jìn)入系統(tǒng)中的 UV/IR2、 拋物面面型，使得進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)光的最大化。三、色輪色輪的光學(xué)特性決定了前投圖像的色域、亮度和色溫等重要參數(shù)。具體如下：1、白點色坐標(biāo)2、基色色坐標(biāo)3、亮度4、對比度5、 色溫6、噪音四、光棒：光棒可將光源輸出的分布不均勻的圓形光斑轉(zhuǎn)化為 DMD所需要的均勻矩形光斑。光棒可以是實心的玻璃棱鏡，也可以

7、 是鍍有高反射膜的平面反射鏡粘接而成的空心器件。 實心光棒利用光 的全反射原理，其特點是反射率高，加工方便，成本低。而空心光棒 則利用反射鏡實現(xiàn)光能在光棒內(nèi)的傳輸， 反射效率較低，但也避免了 玻璃材料的吸收和實心光棒前后表面的能量損失。 同時由于沒有玻璃 的折射，光線在光棒內(nèi)有更大的角度，因而空心光棒可以在更短的長度內(nèi)實現(xiàn)同樣次數(shù)的內(nèi)部反射，達(dá)到相同的照明均勻性，而且也避免了實心光棒中由于前后表面的瑕疵對均勻性的影響。五、中繼鏡片：中繼鏡片組可反射光、折射光，或是二者的組合。使 用光棒勻光的系統(tǒng)中，中繼鏡片一般為阿貝結(jié)構(gòu)。中繼鏡片組的作用 是傳送盡可能多的光到 DMD ,同時保證光入射面的大小

8、以及均勻性。六、鏡頭對于鏡頭，最關(guān)鍵的參數(shù)就是光圈 F值的大小，對于投影機(jī)， 投影鏡頭是投影機(jī)光路中的最后一個環(huán)節(jié)，（當(dāng)然，影像從鏡頭出來， 光路還要在空氣介質(zhì)中傳播，然后經(jīng)過幕反射（正投安裝方式）或幕 透射（背投安裝方式）進(jìn)入觀看者的眼中。在這里我們不討論這些， 光路討論只到投影鏡頭為止。）光圈大（光圈的大小和F值成反比，F(xiàn)值越小，光圈越大，理想狀態(tài)下，F(xiàn)值為1,但只要有光學(xué)元件存 在，就不可能達(dá)到1。焦距與光學(xué)鏡片直徑的比值就是 F值。）投影 影像的亮度就高，對于定焦鏡頭來說，光圈值是一個恒定值，對于變 焦鏡頭來說，通過F值的定義我們可以看出，由于焦距的改變，它 的數(shù)值是是在一個范圍內(nèi)。比

9、如 F2.8 F3.4。投影機(jī)的光圈值是 個非常重要的參數(shù)，舉個例子，同樣的機(jī)器，使用F值不同的鏡頭，其亮度的區(qū)別是非常大的！比如 F2.8的投影機(jī)，就是F4的投影機(jī) 亮度的二倍，是F5.6投影機(jī)亮度的四倍，是F8投影機(jī)亮度的八 倍任何兩只鏡頭，只要它們的f值相同，那么它們所傳送的光量就 是完全一樣的。例如，兩只不同的鏡頭均為 f/2.8,那么就會有相同的光量通過鏡頭到達(dá)銀幕。不一定投影機(jī)鏡頭大，它的F值就大,它是和鏡頭的焦距有密切關(guān)系的！有可能一支口徑小的投影機(jī)鏡頭 值比大鏡頭的F值還要小，（通光量更大）。焦距也是用數(shù)值來表示的，通常從 15-90,分為短焦、標(biāo)準(zhǔn)和長 焦，還有超短和超長焦的。數(shù)值