DLP投影用TIR 棱鏡系統

中國華錄集團有限公司 陳 易 孔維成

中高端DLP（數字光處理器）投影顯示系統使用的都是遠心光路設計方案，TIR棱鏡（全內反射棱鏡）是核心的光學零件之一，它的高度將直接影響設備的整體高度。TIR為了調制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（數字光處理器）投影機已經成為教育商務的標配硬件，便攜及體積小型化一直以來都是設計的追求目標，比如厚度都是在以毫米為數量級來降低，而DLP投影機中的TIR（全內反射棱鏡）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出的激光經過準直系統準之后成為平行光，再經匯聚系統將激光匯聚到三色熒光色輪上激發熒光分時形成紅綠藍三基色，再由匯聚系統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分布的光源的光均勻化，然后經過中繼光學系統和TIR分光棱鏡將光照射到顯示部件DMD芯片上，經過DMD芯片的調制將成像光線反射進入投影鏡頭，通過鏡頭投影到屏幕上，而非成像光線經過DMD的調制反射到鏡頭之外，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面上發生全反射，而全反射光線就會進入到投影鏡頭內（如圖2虛線所示），形成雜散光影響成像的質量及畫面的對比度；而如果通過調大角α，使光線不經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

本技術創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，技術方案如圖2所示（其中紅色虛線為沒有本技術方案的光線傳播），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，根據全反射定律，光只有從光密向光疏介質傳播時才可能發生全反射，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。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面上的區域；

（3）楔形玻璃的楔角根據選擇玻璃的全反射角計算得到；

（4）楔形玻璃的覆蓋區域大于非成像光線在CD面上的區域。

圖2 TIR局部圖

1.3 建模模擬結果

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

根據DMD芯片的偏轉角度為17°，工作原理及材質如下：

（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面上發生全反射，產生全反射就會產生雜散光。常規的對策是使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。采用本技術創新后的情況為：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，具體數據表1。

表1 高度減低數據對比表

結論：現階段所有的民用產品都在向小型化、薄型化、輕量化方面發展，在激光投影顯示產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的薄型化，本論文提出不犧牲產品任何性能，使得產品在厚度方面能夠縮減超過10mm，意味著投影機產品結構有望變得更緊湊和便攜，性能提高的同時大幅降低成本。