DLP投影用TIR 棱鏡系統(tǒng)

中國華錄集團有限公司 陳 易 孔維成

中高端DLP（數(shù)字光處理器）投影顯示系統(tǒng)使用的都是遠心光路設(shè)計方案，TIR棱鏡（全內(nèi)反射棱鏡）是核心的光學零件之一，它的高度將直接影響設(shè)備的整體高度。TIR為了調(diào)制OFF光，使OFF光不全反射進入鏡頭，會形成一個很高的尖角，本文采用破壞全反射的方法，消去TIR棱鏡尖角降低TIR棱鏡的高度，破壞全反射方案采用高折射率的楔形玻璃材料，高度降低率可以達到22%左右，工藝簡便、成本較低。

激光光源DLP（數(shù)字光處理器）投影機已經(jīng)成為教育商務(wù)的標配硬件，便攜及體積小型化一直以來都是設(shè)計的追求目標，比如厚度都是在以毫米為數(shù)量級來降低，而DLP投影機中的TIR（全內(nèi)反射棱鏡）棱鏡的高度又是對整機的厚度影響最大的，如何降低TIR棱鏡的高度一直就是DLP投影機的課題。本文圍繞著如何降低TIR棱鏡的高度來達到DLP投影機小型化薄型化的目的。

1 基本原理

1.1 以激光為光源的DLP投影機遠心光路原理

激光DLP投影機光學系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

激光DLP投影機原理：半導體激光二極管發(fā)出的激光經(jīng)過準直系統(tǒng)準之后成為平行光，再經(jīng)匯聚系統(tǒng)將激光匯聚到三色熒光色輪上激發(fā)熒光分時形成紅綠藍三基色，再由匯聚系統(tǒng)將紅綠藍三色光匯聚進集光棒，集光棒將能量分布形式為正態(tài)分布的光源的光均勻化，然后經(jīng)過中繼光學系統(tǒng)和TIR分光棱鏡將光照射到顯示部件DMD芯片上，經(jīng)過DMD芯片的調(diào)制將成像光線反射進入投影鏡頭，通過鏡頭投影到屏幕上，而非成像光線經(jīng)過DMD的調(diào)制反射到鏡頭之外，不能進到鏡頭里，否則會成為雜散光，影響成像質(zhì)量。

如圖3所示：如果角α太小,非成像光線就會照射在CD面上，根據(jù)DMD工作原理及全反射原理，照射到CD面上的光線一定會在CD面上發(fā)生全反射，而全反射光線就會進入到投影鏡頭內(nèi)（如圖2虛線所示），形成雜散光影響成像的質(zhì)量及畫面的對比度；而如果通過調(diào)大角α，使光線不經(jīng)CD面而直接從TIR棱鏡中透射出去，就會導致TIR棱鏡的豎直方向尺寸加大，從而導致投影機的厚度增加，這是一個矛盾的問題。

圖1 激光投影光路圖

1.2 解決方案

本技術(shù)創(chuàng)新解決如上所述的既不讓非成像光線進入投影鏡頭又要減小TIR棱鏡的尺寸的問題，技術(shù)方案如圖2所示（其中紅色虛線為沒有本技術(shù)方案的光線傳播），在減小α角后TIR棱鏡的豎直尺寸也會隨之減小，為了使非成像光線不在CD面全反射而透射出CD面，根據(jù)全反射定律，光只有從光密向光疏介質(zhì)傳播時才可能發(fā)生全反射，所以在CD面外面粘接一塊折射率高于TIR棱鏡材質(zhì)折射率的的楔形玻璃（如圖2所示），這樣非成像光線就不會再CD面上發(fā)生全反射而透射出CD面，入射到楔形玻璃中，再通過控制楔形玻璃的楔角，使光透射出楔形玻璃，這樣非成像光線就不會進入到鏡頭內(nèi)。其中，TIR棱鏡一般使用K9玻璃折射率n=1.5168，光學玻璃粘接膠普遍折射率n=1.52～1.58之間，可以選取盡量接近但是大于TIR玻璃折射率的膠，可以選擇n=1.53的光學玻璃粘接膠；選擇楔形玻璃需要折射率越大也好，如：H-ZF73(n=1.959)、H-ZLaF90(n=2.0007)等。

要求：

（1）使用的光學玻璃粘接膠的折射率要越接近于TIR棱鏡玻璃的折射率越好；

（2）光學玻璃膠的涂抹范圍要大于非成像光線在CD面上的區(qū)域；

（3）楔形玻璃的楔角根據(jù)選擇玻璃的全反射角計算得到；

（4）楔形玻璃的覆蓋區(qū)域大于非成像光線在CD面上的區(qū)域。

圖2 TIR局部圖

1.3 建模模擬結(jié)果

光線從光密（高折射率）介質(zhì)向光疏（低折射率）介質(zhì)傳播時，當入射角C為：sin(C)≥n1/n2時，在入射面上發(fā)生全反射，其中n1為光疏介質(zhì)折射率，n2為光密介質(zhì)折射率，K區(qū)域的放大圖如圖3。

根據(jù)DMD芯片的偏轉(zhuǎn)角度為17°，工作原理及材質(zhì)如下：

（1）TIR棱鏡材料為K9玻璃折射率n=1.5168；

（2）光學粘接膠選擇折射率n=1.53；

（3）楔形玻璃材質(zhì)選擇H-ZF73折射率n=1.959；

（4）非成像光線入射到CD面的角度β=141.7°；

（5）楔形玻璃的全反射角=30.71°；

（6）角θ＞120.71°；

（7）角γ=52.2°。

由以上選擇條件可以計算出：α≥64.03°，就會在CD面上發(fā)生全反射，產(chǎn)生全反射就會產(chǎn)生雜散光。常規(guī)的對策是使α角變得很大，從而使非成像光線與CD面不接觸或者少接觸，隨著α角的增大TIR棱鏡的體積也隨之增大。采用本技術(shù)創(chuàng)新后的情況為：因為光學粘接膠的折射率大于TIR棱鏡的折射率，所以在CD面上不會全反射而是折射進入光學玻璃膠，在光學玻璃粘接膠與楔形玻璃的表面情況相同，光線入射到楔形玻璃中，根據(jù)折射定律可以計算出γ角為52.2°，楔形玻璃外面就是空氣折射率n=1.0，根據(jù)全反射定律可以計算出楔形玻璃的全反射角為30.71°，必須保證非成像光線入射到楔形玻璃出射面的角度小于30.71°，這樣才會使高線直接傳播出楔形玻璃而不是全反射形成雜散光，則這時的θ角必須小于（90°+30.71°）=120.71°，根據(jù)此條件可以計算出楔形玻璃的楔角要大于（180°-120.71°-52.2°）=7.11°。

圖3 楔型玻璃局部放大圖

2 分析與討論

采用本文方案，TIR棱鏡的高度可以減低至少10mm以上，相當于減低22%以上，效果非常的明顯，具體數(shù)據(jù)表1。

表1 高度減低數(shù)據(jù)對比表

結(jié)論：現(xiàn)階段所有的民用產(chǎn)品都在向小型化、薄型化、輕量化方面發(fā)展，在激光投影顯示產(chǎn)品上這方面的需求尤為突出，薄型化都是以毫米等級的在縮減，以往的方式都是以犧牲性能為代價來實現(xiàn)的薄型化，本論文提出不犧牲產(chǎn)品任何性能，使得產(chǎn)品在厚度方面能夠縮減超過10mm，意味著投影機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有望變得更緊湊和便攜，性能提高的同時大幅降低成本。