DLP投影用TIR 棱镜系统

中国华录集团有限公司 陈 易 孔维成

中高端DLP（数字光处理器）投影显示系统使用的都是远心光路设计方案，TIR棱镜（全内反射棱镜）是核心的光学零件之一，它的高度将直接影响设备的整体高度。TIR为了调制OFF光，使OFF光不全反射进入镜头，会形成一个很高的尖角，本文采用破坏全反射的方法，消去TIR棱镜尖角降低TIR棱镜的高度，破坏全反射方案采用高折射率的楔形玻璃材料，高度降低率可以达到22%左右，工艺简便、成本较低。

激光光源DLP（数字光处理器）投影机已经成为教育商务的标配硬件，便携及体积小型化一直以来都是设计的追求目标，比如厚度都是在以毫米为数量级来降低，而DLP投影机中的TIR（全内反射棱镜）棱镜的高度又是对整机的厚度影响最大的，如何降低TIR棱镜的高度一直就是DLP投影机的课题。本文围绕着如何降低TIR棱镜的高度来达到DLP投影机小型化薄型化的目的。

1 基本原理

1.1 以激光为光源的DLP投影机远心光路原理

激光DLP投影机光学系统的工作原理如图1所示。

激光DLP投影机原理：半导体激光二极管发出的激光经过准直系统准之后成为平行光，再经汇聚系统将激光汇聚到三色荧光色轮上激发荧光分时形成红绿蓝三基色，再由汇聚系统将红绿蓝三色光汇聚进集光棒，集光棒将能量分布形式为正态分布的光源的光均匀化，然后经过中继光学系统和TIR分光棱镜将光照射到显示部件DMD芯片上，经过DMD芯片的调制将成像光线反射进入投影镜头，通过镜头投影到屏幕上，而非成像光线经过DMD的调制反射到镜头之外，不能进到镜头里，否则会成为杂散光，影响成像质量。

如图3所示：如果角α太小,非成像光线就会照射在CD面上，根据DMD工作原理及全反射原理，照射到CD面上的光线一定会在CD面上发生全反射，而全反射光线就会进入到投影镜头内（如图2虚线所示），形成杂散光影响成像的质量及画面的对比度；而如果通过调大角α，使光线不经CD面而直接从TIR棱镜中透射出去，就会导致TIR棱镜的竖直方向尺寸加大，从而导致投影机的厚度增加，这是一个矛盾的问题。

图1 激光投影光路图

1.2 解决方案

本技术创新解决如上所述的既不让非成像光线进入投影镜头又要减小TIR棱镜的尺寸的问题，技术方案如图2所示（其中红色虚线为没有本技术方案的光线传播），在减小α角后TIR棱镜的竖直尺寸也会随之减小，为了使非成像光线不在CD面全反射而透射出CD面，根据全反射定律，光只有从光密向光疏介质传播时才可能发生全反射，所以在CD面外面粘接一块折射率高于TIR棱镜材质折射率的的楔形玻璃（如图2所示），这样非成像光线就不会再CD面上发生全反射而透射出CD面，入射到楔形玻璃中，再通过控制楔形玻璃的楔角，使光透射出楔形玻璃，这样非成像光线就不会进入到镜头内。其中，TIR棱镜一般使用K9玻璃折射率n=1.5168，光学玻璃粘接胶普遍折射率n=1.52～1.58之间，可以选取尽量接近但是大于TIR玻璃折射率的胶，可以选择n=1.53的光学玻璃粘接胶；选择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）使用的光学玻璃粘接胶的折射率要越接近于TIR棱镜玻璃的折射率越好；

（2）光学玻璃胶的涂抹范围要大于非成像光线在CD面上的区域；

（3）楔形玻璃的楔角根据选择玻璃的全反射角计算得到；

（4）楔形玻璃的覆盖区域大于非成像光线在CD面上的区域。

图2 TIR局部图

1.3 建模模拟结果

光线从光密（高折射率）介质向光疏（低折射率）介质传播时，当入射角C为：sin(C)≥n1/n2时，在入射面上发生全反射，其中n1为光疏介质折射率，n2为光密介质折射率，K区域的放大图如图3。

根据DMD芯片的偏转角度为17°，工作原理及材质如下：

（1）TIR棱镜材料为K9玻璃折射率n=1.5168；

（2）光学粘接胶选择折射率n=1.53；

（3）楔形玻璃材质选择H-ZF73折射率n=1.959；

（4）非成像光线入射到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°。

由以上选择条件可以计算出：α≥64.03°，就会在CD面上发生全反射，产生全反射就会产生杂散光。常规的对策是使α角变得很大，从而使非成像光线与CD面不接触或者少接触，随着α角的增大TIR棱镜的体积也随之增大。采用本技术创新后的情况为：因为光学粘接胶的折射率大于TIR棱镜的折射率，所以在CD面上不会全反射而是折射进入光学玻璃胶，在光学玻璃粘接胶与楔形玻璃的表面情况相同，光线入射到楔形玻璃中，根据折射定律可以计算出γ角为52.2°，楔形玻璃外面就是空气折射率n=1.0，根据全反射定律可以计算出楔形玻璃的全反射角为30.71°，必须保证非成像光线入射到楔形玻璃出射面的角度小于30.71°，这样才会使高线直接传播出楔形玻璃而不是全反射形成杂散光，则这时的θ角必须小于（90°+30.71°）=120.71°，根据此条件可以计算出楔形玻璃的楔角要大于（180°-120.71°-52.2°）=7.11°。

图3 楔型玻璃局部放大图

2 分析与讨论

采用本文方案，TIR棱镜的高度可以减低至少10mm以上，相当于减低22%以上，效果非常的明显，具体数据表1。

表1 高度减低数据对比表

结论：现阶段所有的民用产品都在向小型化、薄型化、轻量化方面发展，在激光投影显示产品上这方面的需求尤为突出，薄型化都是以毫米等级的在缩减，以往的方式都是以牺牲性能为代价来实现的薄型化，本论文提出不牺牲产品任何性能，使得产品在厚度方面能够缩减超过10mm，意味着投影机产品结构有望变得更紧凑和便携，性能提高的同时大幅降低成本。