本發(fā)明涉及投影儀領(lǐng)域，尤其是一種采用LED和透鏡的微型投影系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的數(shù)字光處理投影系統(tǒng)（Digital Light Processing，DLP）體積較大、成本較高；對光源的利用效率較低、投射出的光斑均勻性較差，其核心器件是數(shù)字微鏡元件（Digital Micromirror Device,DMD）。數(shù)字微鏡元件表面有眾多微小的反射鏡。在數(shù)字微鏡元件沒有通電時(shí)，理想狀態(tài)下所有的反射鏡都靜止在平衡位置，該位置稱為平板狀態(tài)（flat state），一般情況下平板狀態(tài)的微鏡都平行于DMD的表面。數(shù)字微鏡元件通電后每個(gè)反射鏡都可以繞著自己的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，每個(gè)反射鏡至少有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，在第一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí)反射鏡的鏡面與該反射鏡平板狀態(tài)時(shí)鏡面的夾角記為角I，在第二個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí)反射鏡的鏡面與該反射鏡平板狀態(tài)時(shí)鏡面的夾角為角J。為了方便起見，當(dāng)反射鏡通過逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到穩(wěn)定狀態(tài)后該角度用正數(shù)表示，當(dāng)反射鏡順時(shí)針旋轉(zhuǎn)后，該角度用負(fù)數(shù)表示。

以DMD為核心的數(shù)字光處理投影產(chǎn)品將繼續(xù)向高亮度、高分辨率、大屏幕、輕小、超薄和便捷化發(fā)展，如何進(jìn)一步減小投影儀的體積、降低成本、提高光學(xué)系統(tǒng)的效率、以及減少單片DLP投影系統(tǒng)色輪的光損耗、簡化光學(xué)系統(tǒng)都是DLP投影系統(tǒng)要解決的問題。傳統(tǒng)的單片式DLP投影系統(tǒng)主要由光源、照明系統(tǒng)、數(shù)字微鏡元件、投影透鏡組成。照明系統(tǒng)又由橢圓反射器、色輪、導(dǎo)光管、中繼透鏡、反射鏡組成。當(dāng)光線經(jīng)過扇形濾光片的色輪時(shí)，在任何一瞬間，白光經(jīng)過色輪后，只有一種顏色的光透過，其它顏色的光被阻擋和吸收，透過的光與導(dǎo)光管耦合，經(jīng)過中繼透鏡，在反射鏡上改變一次光路方向，到達(dá)DMD上。這個(gè)過程使用的元器件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，成本較高，整機(jī)的電光轉(zhuǎn)換效率低，不僅對光能的損耗較為嚴(yán)重，更主要的是使整個(gè)投影系統(tǒng)的溫度升高，對整個(gè)投影系統(tǒng)的散熱造成了一定的影響。光線經(jīng)過中繼透鏡時(shí)難免會產(chǎn)生像差，對光源的均勻性也造成了一定的影響。

在2011年10月出版的《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》刊物中，芮大為等人發(fā)表了《基于漸變折射率透鏡的激光投影儀照明光路設(shè)計(jì)》，公開了一種利用漸變折射率（GRIN）透鏡和激光的DLP投影儀照明光路，該設(shè)計(jì)以激光二極管（LD）發(fā)出的光作為照明光源，包括：紅綠藍(lán)（RGB）激光光源、單級GRIN 透鏡陣列、二向色鏡、反射鏡、DMD、吸收體和投影透鏡，照明光路由三組透鏡陣列及其所對應(yīng)的三片二向色鏡組成。雖然沒有使用色輪，但是該方案存在以下缺陷：（1）LD成本高；（2）LD電光轉(zhuǎn)換效率低，導(dǎo)致系統(tǒng)的電功耗增加；（3）由于激光的相干性，投射出的顯示圖像中會出現(xiàn)散斑，影響了顯示效果；（4）激光要通過三片二向色鏡，在每個(gè)二向色鏡上光能都會有損耗，二向色鏡的成本較高，對入射光的入射角度要求嚴(yán)格，在生產(chǎn)或運(yùn)輸?shù)倪^程中，由于元器件位置的輕微變化導(dǎo)致入射光入射到二向色鏡的角度發(fā)生改變，會降低投影屏上的光照度，并造成色彩偏差，并且整體的安裝難度較大；（5）激光要被反射鏡反射到DMD上，增加了光學(xué)元件；（6）透鏡矩陣由幾何參數(shù)、加工精度均相同的漸變折射率透鏡緊密排列而成，并且每個(gè)漸變折射率透鏡對應(yīng)紅綠藍(lán)三色光中的一種顏色的光線，要求三個(gè)漸變折射率透鏡對應(yīng)它們折射率完全一致，但是考慮材料的色散，難以大批量加工出合適的漸變折射率透鏡陣列。這種方案由于使用了較多元器件，并對元器件的質(zhì)量要求高，光路復(fù)雜，加工和安裝難度高，成本高，對整個(gè)系統(tǒng)的光能利用率低，整個(gè)系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率低，并且系統(tǒng)中雜散光多，限制了系統(tǒng)的體積，并增加了散熱難度，對于采用電池供電的投影系統(tǒng)，會嚴(yán)重縮短工作時(shí)間。

現(xiàn)有的投影系統(tǒng)的方案存在對光能的利用率低、電光轉(zhuǎn)換效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元器件較多、體積較大、成本較高、散熱困難等問題。需要提供一種光路簡單、使用的元器件少、體積小、成本低、系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率高、雜散光少的新型投影系統(tǒng)解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種基于LED和透鏡的低成本微型投影系統(tǒng)，包括光源、整形透鏡、數(shù)字微鏡元件、投影透鏡、吸收體；投影系統(tǒng)中不含色輪、不含二向色鏡、不含導(dǎo)光管；

所述的光源是LED；

所述的光源發(fā)射出的光線中有紅、綠、藍(lán)三種顏色，三種顏色的光線可以分別獨(dú)立調(diào)節(jié)光的強(qiáng)弱；

三種顏色光線通過整形透鏡傾斜入射到數(shù)字微鏡元件上；當(dāng)數(shù)字微鏡元件的反射鏡處在第一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，大部分入射到數(shù)字微鏡元件的反射鏡上的光線在反射鏡上的入射角接近于反射鏡相對其自身平板狀態(tài)的角度，大部分被數(shù)字微鏡元件的反射鏡反射的光線的方向幾乎垂直于平板狀態(tài)，并被投影透鏡接收后投射到屏幕上；經(jīng)過屏幕漫反射以后進(jìn)入用戶眼中，用戶看到清晰的圖像；

當(dāng)數(shù)字微鏡元件的反射鏡處在第二個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，絕大部分被數(shù)字微鏡元件的反射鏡反射的光線不能進(jìn)入投影透鏡，而是被吸收體所吸收，大部分入射到數(shù)字微鏡元件的反射鏡上的光線在反射鏡上的入射角接近于2I-J；

所述的光源和整形透鏡在投影儀中的位置是固定的。

優(yōu)選的，所述的數(shù)字微鏡元件在投影透鏡的物平面附近，通過調(diào)節(jié)投影透鏡可以改變像平面的位置和、或像的大小。

優(yōu)選的，被數(shù)字微鏡元件第一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)反射鏡反射的光線是平行光，數(shù)字微鏡元件不需要在投影透鏡的物平面附近，只需要不擋住入射光，數(shù)字微鏡元件和投影透鏡之間的距離可以任意設(shè)置，屏幕到投影透鏡之間的距離可以在較大范圍內(nèi)自由設(shè)定。

所述的整形透鏡可以是凸透鏡或菲涅爾透鏡或梯度折射率透鏡或者復(fù)合透鏡；優(yōu)選的，所述的整形透鏡均采用矩形的形狀。

如果使用凸透鏡或者菲涅爾透鏡作為整形透鏡，所述的光源的發(fā)光面在凸透鏡或菲涅爾透鏡的焦平面附近。

所述的梯度折射率透鏡在光軸的橫截面徑向方向上折射率是變化的，且相對光軸成旋轉(zhuǎn)對稱變化。

優(yōu)選的，光源中的每一顆LED封裝了三片發(fā)光二極管，三片發(fā)光二極管分別發(fā)出紅綠藍(lán)三種光線，一個(gè)整形透鏡中可以包含多個(gè)單元透鏡，每一顆LED對應(yīng)一個(gè)單元透鏡。

優(yōu)選的，改變發(fā)光二極管表面封裝材料和、或封裝材料的外形；封裝材料直接構(gòu)成整形透鏡，發(fā)光二極管與整形透鏡做在一起成為一體。

本發(fā)明的有益效果是：三色LED取代了傳統(tǒng)投影系統(tǒng)中色輪在照明系統(tǒng)中的作用，不使用中繼透鏡、反射鏡，簡化了投影系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中色輪的光損耗、以及系統(tǒng)溫度過高等問題，提高了光能的利用率，降低了散熱難度；同時(shí)，整形透鏡在導(dǎo)光過程中和LED耦合，從透鏡中投射出的光斑不是角度很大的發(fā)散光錐，有效投影面積內(nèi)的亮度和均勻性將得到提高。不僅提高了光能的利用率，準(zhǔn)直后的光線還提高了投影光斑的均勻性。和傳統(tǒng)的投影結(jié)構(gòu)相比，本方案使光能的利用率得到了提高、提高了電光轉(zhuǎn)換效率、簡化了光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、元器件較少、減小了雜散光的影響、減小體積、降低成本、散熱容易、提高了系統(tǒng)抗振動沖擊能力，延長了使用壽命和便于運(yùn)輸。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，與本發(fā)明的實(shí)施例共同用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。

圖1是傳統(tǒng)單片式DLP投影系統(tǒng)光路示意圖。

圖2是數(shù)字微鏡元件中反射鏡處在第一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)光線示意圖。

圖3是數(shù)字微鏡元件中反射鏡處在第二個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)光線示意圖。

圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)設(shè)計(jì)方案示意圖。

圖5是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的臨界光線入射到透鏡的示意圖。

圖6是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的臨界光線入射到投影透鏡的示意圖。

圖7是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)設(shè)計(jì)方案示意圖。

圖8 是本發(fā)明實(shí)施例的多顆LED作為光源示意圖。

圖9是實(shí)施例中多個(gè)單元透鏡構(gòu)成整形透鏡。

圖10是本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的光學(xué)設(shè)計(jì)方案示意圖。

圖11是本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例的示意圖。

圖12是本發(fā)明實(shí)施例中，梯度折射率透鏡中的光線傳播。

圖中 1.光源和橢圓反射器，2.色輪，3.數(shù)字微鏡元件，4.吸收體，5.投影透鏡，6.導(dǎo)光管，7.中繼透鏡，8.反射鏡，9.LED，10. 凸透鏡，11.散熱片，12.菲涅爾透鏡，13.梯度折射率透鏡。301. 數(shù)字微鏡元件中反射鏡的平板狀態(tài)，302. 數(shù)字微鏡元件中反射鏡的第一種穩(wěn)定狀態(tài)，303. 數(shù)字微鏡元件中反射鏡的第二種穩(wěn)定狀態(tài)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1是傳統(tǒng)的單片式DLP投影系統(tǒng)光路圖，主要由光源、照明系統(tǒng)、數(shù)字微鏡元件、投影透鏡組成。照明系統(tǒng)由橢圓反射器、色輪、導(dǎo)光管、中繼透鏡、反射鏡組成。色輪每個(gè)時(shí)刻只能允許一種顏色的光通過，當(dāng)光線經(jīng)過扇形濾光片的色輪時(shí)，將一束白光分成RGB三色，然后與導(dǎo)光管耦合，經(jīng)過中繼透鏡，在反射鏡上改變一次光路方向，到達(dá)數(shù)字微鏡元件上。這個(gè)過程較為復(fù)雜，不僅對光能的損耗較為嚴(yán)重，使整個(gè)投影系統(tǒng)的溫度升高，對整個(gè)投影系統(tǒng)的散熱造成了一定的影響。另一方面，由于傳統(tǒng)投影系統(tǒng)中，中繼透鏡的存在，光線經(jīng)過中繼透鏡時(shí)難免會產(chǎn)生像差，對數(shù)字微鏡元件上入射光的均勻性也造成了一定的影響。

本發(fā)明公開了一種基于LED和透鏡的低成本微型投影系統(tǒng)，包括光源、整形透鏡、數(shù)字微鏡元件、投影透鏡、吸收體；投影系統(tǒng)中不含色輪、不含二向色鏡、不含導(dǎo)光管。

在本申請的投影系統(tǒng)中沒有使用色輪，不僅避免了色輪工作時(shí)造成的光損耗的問題，而且減小了系統(tǒng)的體積、降低了成本、增加了電光轉(zhuǎn)換的效率、省去了驅(qū)動色輪的電機(jī)，從而進(jìn)一步節(jié)省了電能、減輕了重量、更加便于攜帶，還出現(xiàn)了另外一個(gè)意想不到的技術(shù)效果：由于在工作時(shí)沒有色輪和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，降低了投影系統(tǒng)的噪音和振動，增加了投影系統(tǒng)的壽命，降低了使用成本，還提高了投影系統(tǒng)的抗振動和抗沖擊的能力，可以減少系統(tǒng)在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)故障，便于運(yùn)輸，甚至抗振動的包裝材料也可以減少，進(jìn)一步降低成本。

由于不使用二向色鏡，本申請不僅降低了成本，減小了體積，還出現(xiàn)了另一個(gè)意想不到的技術(shù)效果：避免了二向色鏡膜層上的點(diǎn)狀和塊狀缺陷導(dǎo)致的顯示圖像上出現(xiàn)點(diǎn)狀或塊狀的色彩失真。二向色鏡表面會附著灰塵，這些灰塵會導(dǎo)致光散射，增加了系統(tǒng)的雜散光，降低了最終圖像的質(zhì)量，因而在投影儀的使用過程中要避免二向色鏡表面附著灰塵。通過不使用二向色鏡，從而避免了二向色鏡灰塵的影響，降低了維護(hù)成本，提高了圖像質(zhì)量。由于不使用二向色鏡，就不需要保證入射光在二像色鏡上的入射角，降低了安裝成本，即便在使用和運(yùn)輸中有輕微振動導(dǎo)致光學(xué)元件位置發(fā)生輕微變化，也不會明顯影響顯示效果。

由于不使用導(dǎo)光管，不僅降低了成本，減小了體積，在導(dǎo)光管的使用過程中，導(dǎo)光管的材料會出現(xiàn)老化，導(dǎo)致出射光的顏色發(fā)生變化，從而使顯示的圖像色彩失真，不使用導(dǎo)光管就很好的避免了該問題。

所述的光源是單顆大功率LED或多顆小功率LED構(gòu)成；由于LED的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，與其它光源相比，使用LED提高了電光轉(zhuǎn)換效率，降低了散熱難度；由于LED比其它光源便宜，因而降低了成本；由于LED發(fā)出的光不具有相干性，避免了顯示圖像中出現(xiàn)激光散斑；和其它的投影儀相比，極大的增加了光源的壽命，大大降低了使用成本和維護(hù)的難度，系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間將大大增加，進(jìn)一步降低了維修成本。

使用多顆小功率LED作為光源可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率，降低了散熱難度，使數(shù)字微鏡表面光照度分布更均勻，進(jìn)而使得投射出的圖像效果更好。

使用單顆大功率LED作為光源可以減小系統(tǒng)的體積。

所述的光源發(fā)射出的光線中有紅、綠、藍(lán)三種顏色，三種顏色的光線可以分別獨(dú)立調(diào)節(jié)光的強(qiáng)弱；用戶可以根據(jù)自己的顏色喜好來調(diào)節(jié)投影儀圖像的色彩，進(jìn)一步的，可以根據(jù)環(huán)境光的情況和顯示內(nèi)容的情況改變?nèi)N顏色光的強(qiáng)度，改變顯示圖像的亮度，達(dá)到最佳的顯示效果。

如圖2及圖4所示，光線通過整形透鏡傾斜入射到數(shù)字微鏡元件上，當(dāng)數(shù)字微鏡元件的反射鏡處在第一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，大部分入射到反射鏡上的光線在反射鏡上的入射角接近于反射鏡相對其自身平板狀態(tài)的角度，即入射到反射鏡上的光線在反射鏡上的入射角約等于角I，大部分被反射鏡反射的光線的方向幾乎垂直于平板狀態(tài)，這些光線也基本垂直于數(shù)字微鏡元件表面，這些光線被投影透鏡接收后成像，處在第一穩(wěn)定狀態(tài)的反射鏡都在一個(gè)平面上，投影透鏡將數(shù)字微鏡元件上處在第一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的微小的反射鏡都成像在前方屏幕上，經(jīng)過屏幕漫反射以后進(jìn)入用戶眼中，用戶看到清晰的圖像。屏幕的作用是接收從投影鏡頭投射出的光線，并使光線漫反射，屏幕可以是一面白墻，或者一張白紙，或者是其它任何能使光線漫反射的表面。如果數(shù)字微鏡元件在投影透鏡的物平面附近，可以通過調(diào)節(jié)投影透鏡改變像平面的位置和像的大小。

在一些情況下，所有入射到反射鏡上的光線都是平行光，經(jīng)過數(shù)字微鏡元件上眾多處于第一穩(wěn)定狀態(tài)的反射鏡反射后，所有的反射光都是平行光，投影透鏡和數(shù)字微鏡元件之間的距離可以任意設(shè)置，只需要不擋住入射光即可，而不需要數(shù)字微鏡元件在投影透鏡的物平面附近，投影透鏡到屏幕的距離也可以任意設(shè)置，在屏幕上都會成清晰的像，從投影鏡頭出射后的光線被屏幕漫反射后進(jìn)入人眼，人可以看到屏幕上清晰的圖像。

如果入射光輕微的偏離了平行光，或者入射光中存在少量不平行的光線，數(shù)字微鏡元件不在投影透鏡的物平面上，投射到屏幕上的圖像就會模糊?？紤]到人眼的分辨率極限，當(dāng)物體對人眼的視角小于1分時(shí)，人對物體的細(xì)節(jié)就不能分辨，看起來就是一點(diǎn)，因而允許屏幕上的圖像存在輕微的模糊，在有些情況下，雖然人感受到屏幕上的圖像有一些模糊，但用戶仍然能夠接受，所以屏幕上的圖像可以有一些模糊。在這種情況下，只要不遮擋入射到數(shù)字微鏡元件上的光線，投影透鏡就可以距離數(shù)字微鏡元件非常近，進(jìn)一步降低了整機(jī)的體積，更便于攜帶，并且屏幕離投影透鏡的距離也可以在較大的范圍內(nèi)任意設(shè)定，方便了用戶的使用，甚至產(chǎn)生了另一個(gè)意想不到的技術(shù)效果：在特殊情況下，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的投影鏡頭無需調(diào)節(jié)，降低了投影鏡頭的成本，方便了用戶的使用，增加了投影鏡頭的可靠性。

如圖3所示，當(dāng)反射鏡處在第二個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，大部分入射到反射鏡上的光線在反射鏡上的入射角接近于2I-J，絕大部分被反射鏡反射的光線不能進(jìn)入投影透鏡，而是被吸收體所吸收。

所述的光源和整形透鏡在投影儀中的位置是固定的；固定的位置會使系統(tǒng)更加可靠；并且抗振動和沖擊的能力更強(qiáng)；由于位置固定，不需要電機(jī)等運(yùn)動機(jī)構(gòu)，降低了成本。

所述的整形透鏡可以是凸透鏡或菲涅爾透鏡或梯度折射率透鏡或復(fù)合透鏡；這些透鏡都可以使LED發(fā)出的光更接近于平行光；為了配合數(shù)字微鏡元件的矩形外形，所述的整形透鏡均設(shè)計(jì)成矩形的形狀。當(dāng)使用多顆LED的時(shí)候，矩形的透鏡也便于加工或拼接。

如果使用凸透鏡或者菲涅爾透鏡作為整形透鏡，所述的光源的發(fā)光面在凸透鏡或菲涅爾透鏡的焦平面附近；使用凸透鏡使成本更低，便于加工；使用菲涅爾透鏡可以使光路更緊湊，使投影儀的體積更小，降低了儀器的重量。

也可以采用復(fù)合透鏡作為整形透鏡，將會使通過整形透鏡的出射光線更加平行，均勻性更好，復(fù)合透鏡可以使用凸透鏡和凹透鏡的組合形式，也可以使用多種透鏡進(jìn)行組合，包括菲涅爾透鏡和、或梯度折射率透鏡和、或其它透鏡。

所述的梯度折射率透鏡在光軸的橫截面徑向方向上折射率是變化的，且相對光軸成旋轉(zhuǎn)對稱變化；使用梯度折射率透鏡可以使出射光線更加的均勻，準(zhǔn)直性更好，簡化了光學(xué)結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，光源中的每一顆LED封裝了三片發(fā)光二極管，三片發(fā)光二極管分別發(fā)出紅綠藍(lán)三種光線，一個(gè)整形透鏡中可以包含多個(gè)單元透鏡，每一顆LED對應(yīng)一個(gè)單元透鏡。

實(shí)施例一參見圖4，采用LED和凸透鏡的投影系統(tǒng)光路，包括LED、凸透鏡、數(shù)字微鏡元件、投影透鏡、吸收裝置，使用凸透鏡作為整形透鏡，該投影系統(tǒng)使用單顆大功率三基色LED作為光源，一個(gè)LED中封裝了紅綠藍(lán)三顆發(fā)光二極管。

所述的單顆大功率三基色LED使用的是Cree公司CLMUC-FKA型號的LED燈珠，該燈珠的封裝尺寸較小，只有1.5mm×1.5mm×1.0mm，LED有四個(gè)引腳，發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種光線的引腳分別接到負(fù)極，剩下的一個(gè)公共引腳接到正電壓，通過控制紅、綠、藍(lán)三個(gè)引腳的電壓或電流來控制三種顏色的變化；通過控制電流的強(qiáng)弱或占空比，來控制三種顏色的發(fā)光強(qiáng)度。

在圖4中，凸透鏡與LED的距離約為透鏡的一倍焦距，LED的發(fā)光面在整形透鏡的焦點(diǎn)附近，LED出射的光線經(jīng)過整形透鏡后近似成為平行光并入射到數(shù)字微鏡元件上，被第一穩(wěn)定狀態(tài)反射鏡反射的光線再以幾乎垂直于第一平板狀態(tài)進(jìn)入投影透鏡。

在一些特定情況下，LED可以當(dāng)作點(diǎn)光源來處理，并且點(diǎn)光源的位置在整形透鏡的焦點(diǎn)上，LED出射的光線經(jīng)過整形透鏡以后出射的是平行光，經(jīng)過第一穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)反射鏡反射的光線也是平行光，只要投影透鏡不擋住入射到數(shù)字微鏡元件上的光線，投影透鏡到數(shù)字微鏡的距離可以任意設(shè)置，投影透鏡到屏幕的距離也可以任意設(shè)置，在屏幕上都會成清晰的像，從投影鏡頭出射后的光線被屏幕漫反射后進(jìn)入人眼，人可以看到屏幕上清晰的圖像。這是一種光路簡單、使用的元器件少、體積小、成本低、系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率高、雜散光少的新型投影系統(tǒng)解決方案。

參見圖5，在有些情況下，可以將LED當(dāng)作很小的面光源來處理，面光源中心點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過整形透鏡后出射的光線為平行光M，而面光源上其它點(diǎn)出射的光線經(jīng)過整形透鏡以后會偏離所述的平行光M，這些偏離的光線可能會帶來負(fù)面影響，離面光源中心最遠(yuǎn)的位置發(fā)出的光線偏離最明顯，該光線以一定的傾角入射到整形透鏡上，LED的面光源寬度計(jì)作，透鏡的焦距計(jì)作，其中通過透鏡光心的光線與透鏡的主軸成角，即：

參見圖6，光線主要以近似平行光的形式入射到數(shù)字微鏡元件上，必然存在與平行光成一定夾角的光線入射到數(shù)字微鏡元件上，數(shù)字微鏡元件的有效區(qū)域?qū)蔷€長度計(jì)作，投影透鏡可以采用矩形或圓形的，圓形投影透鏡的入射光瞳直徑計(jì)作，投影透鏡與數(shù)字微鏡元件的距離計(jì)作，經(jīng)過整形透鏡后與整形透鏡的主軸成β角的光線，被第一穩(wěn)定狀態(tài)的微鏡反射后同樣以β角入射到投影透鏡中，為了保證不浪費(fèi)光線并減少雜散光，即:，代入前式得:。所以如果LED發(fā)出的光線不能看成點(diǎn)光源，只要用合適的透鏡參數(shù)及投影透鏡與數(shù)字微鏡元件的距離，就可以消除LED面光源寬度過大對投影質(zhì)量的影響。對于矩形透鏡，C代表矩形透鏡對角線的長度，也可以推導(dǎo)出類似的公式。

圖7是一個(gè)實(shí)施例，一種基于多顆LED和凸透鏡的投影系統(tǒng)光路，該投影系統(tǒng)使用多顆小功率三基色LED組成的面陣作為光源，使用凸透鏡作為整形透鏡的單元透鏡，一個(gè)整形透鏡中包含多個(gè)單元透鏡，每一顆LED對應(yīng)一個(gè)單元透鏡。

參見圖8，所述的多顆三基色LED光源使用的是Cree公司CLX6D-FKB型號的LED燈珠，該燈珠的封裝尺寸較小，只有1.5mm×1.5mm×1.0mm，每顆LED有四個(gè)引腳，發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種光線的引腳分別接到負(fù)極，剩下的一個(gè)公共引腳接到正電壓，通過控制紅、綠、藍(lán)三個(gè)引腳的電壓或電流來控制三種顏色的變化；通過控制電流的強(qiáng)弱，來控制三種顏色的發(fā)光強(qiáng)度。

參見圖9，多顆單元透鏡緊密的排列在一起，透鏡端面設(shè)計(jì)成矩形的形狀，每一顆LED對應(yīng)一個(gè)單元透鏡。由于LED的發(fā)光角度較大，所以必然存在LED發(fā)出的光線傾斜入射到其它的透鏡上，對光路造成影響，所以采用了吸收體把每一顆LED分隔開，如圖8所示。

圖10也是一個(gè)實(shí)施例，用菲涅爾透鏡作為整形透鏡，每一顆LED獨(dú)立的與菲涅爾透鏡耦合。菲涅爾透鏡與LED的距離為透鏡的一倍焦距，LED出射的光線經(jīng)過菲涅爾透鏡后以平行光的形式入射到DMD上，入射到數(shù)字微鏡元件上的光線被第一穩(wěn)定狀態(tài)的反射鏡反射后以垂直于數(shù)字微鏡元件表面進(jìn)入投影透鏡。

圖11是另一個(gè)實(shí)施例，用梯度折射率透鏡代替凸透鏡，使用梯度折射率透鏡進(jìn)行導(dǎo)光，每一顆LED獨(dú)立的與梯度折射率透鏡耦合。參見圖12，圖中的軸與光纖光軸重合，表示光纖的徑向坐標(biāo)。若有一光線入射在光纖端面的光軸處點(diǎn)，其入射角大小為，折射光線在點(diǎn)的切線與軸的夾角為，光線入射在梯度折射率透鏡的端面的光軸處時(shí)有：

式中,是光纖光軸處的折射率。在徑向梯度折射率光纖中連續(xù)運(yùn)用折射率定律可得：

式中，為軌跡曲線上任意一點(diǎn)的切線與軸的夾角。因?yàn)殡S著的增大，越來越小，角也會越來越小。若時(shí)，，表示光線的軌跡在此處為拐點(diǎn)，曲線開始向下彎曲，由上式可得：

表示處的折射率。

因?yàn)椋?/p>

所以：

光線在介質(zhì)中傳播時(shí)，光線是沿著光程為極值的路徑傳播的，所以有

式中，為距離光軸為處的光線元長度，積分域?yàn)橐粋€(gè)周期。上式說明以任意角度入射的子午光線在徑向梯度折射率光纖中傳播一個(gè)周期，不管光線軌跡如何變化，它們的光程長度是常數(shù)。在圖4所示的一個(gè)周期內(nèi)，該式可以寫成：

假定在徑向梯度折射率光纖中，子午光線的軌跡方程為正弦形式，即

式中，，為周期長度，則有：

上式可以簡化得：

上式說明徑向梯度折射率光纖中，其折射率變化近似為拋物線型分布。

基于折射原理光線向中心自動偏轉(zhuǎn)，因此其軌跡呈正弦曲線。一個(gè)周期正弦曲線的光學(xué)長度為，可知：

，其中為梯度折射率光纖的梯度折射率；

當(dāng)點(diǎn)光源置于長度為：的梯度折射率透鏡輸入端面的軸上點(diǎn)處時(shí)，梯度折射率透鏡可以出射平行光。這只是梯度折射率透鏡的一種形式，為了改善出射光的質(zhì)量，可以進(jìn)一步修改梯度折射率透鏡。

如果改變了發(fā)光二極管表面封裝材料；和、或封裝材料的外形；封裝材料直接構(gòu)成整形透鏡，發(fā)光二極管與整形透鏡做在一起成為一體，那樣發(fā)光二極管光源與整形透鏡的可靠性將會更高，并進(jìn)一步減小了體積，提高了抗振動和沖擊能力，這種光源和整形透鏡也是本專利申請中的光源與透鏡的一種形式。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的創(chuàng)新構(gòu)思的前提下，還可以作出的若干的變形和改進(jìn)，這些都屬于本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。