[0034] 下面将结合附图对本发明实施例做进一步的详细说明。
[0035] 图1是传统的单片式DLP投影系统光路图，主要由光源、照明系统、数字微镜元件、投影透镜组成。照明系统由椭圆反射器、色轮、导光管、中继透镜、反射镜组成。色轮每个时刻只能允许一种颜色的光通过，当光线经过扇形滤光片的色轮时，将一束白光分成RGB三色，然后与导光管耦合，经过中继透镜，在反射镜上改变一次光路方向，到达数字微镜元件上。这个过程较为复杂，不仅对光能的损耗较为严重，使整个投影系统的温度升高，对整个投影系统的散热造成了一定的影响。另一方面，由于传统投影系统中，中继透镜的存在，光线经过中继透镜时难免会产生像差，对数字微镜元件上入射光的均匀性也造成了一定的影响。
[0036] 本发明公开了一种基于LED和透镜的低成本微型投影系统，包括光源、整形透镜、数字微镜元件、投影透镜、吸收体；投影系统中不含色轮、不含二向色镜、不含导光管。
[0037] 在本申请的投影系统中没有使用色轮，不仅避免了色轮工作时造成的光损耗的问题，而且减小了系统的体积、降低了成本、增加了电光转换的效率、省去了驱动色轮的电机，从而进一步节省了电能、减轻了重量、更加便于携带，还出现了另外一个意想不到的技术效果：由于在工作时没有色轮和电机的旋转，降低了投影系统的噪音和振动，增加了投影系统的寿命，降低了使用成本，还提高了投影系统的抗振动和抗冲击的能力，可以减少系统在运输过程中出现故障，便于运输，甚至抗振动的包装材料也可以减少，进一步降低成本。
[0038] 由于不使用二向色镜，本申请不仅降低了成本，减小了体积，还出现了另一个意想不到的技术效果：避免了二向色镜膜层上的点状和块状缺陷导致的显示图像上出现点状或块状的色彩失真。二向色镜表面会附着灰尘，这些灰尘会导致光散射，增加了系统的杂散光，降低了最终图像的质量，因而在投影仪的使用过程中要避免二向色镜表面附着灰尘。通过不使用二向色镜，从而避免了二向色镜灰尘的影响，降低了维护成本，提高了图像质量。由于不使用二向色镜，就不需要保证入射光在二像色镜上的入射角，降低了安装成本，即便在使用和运输中有轻微振动导致光学元件位置发生轻微变化，也不会明显影响显示效果。
[0039] 由于不使用导光管，不仅降低了成本，减小了体积，在导光管的使用过程中，导光管的材料会出现老化，导致出射光的颜色发生变化，从而使显示的图像色彩失真，不使用导光管就很好的避免了该问题。
[0040] 所述的光源是单颗大功率LED或多颗小功率LED构成；由于LED的技术已经非常成熟，与其它光源相比，使用LED提高了电光转换效率，降低了散热难度；由于LED比其它光源便宜，因而降低了成本；由于LED发出的光不具有相干性，避免了显示图像中出现激光散斑；和其它的投影仪相比，极大的增加了光源的寿命，大大降低了使用成本和维护的难度，系统的平均无故障时间将大大增加，进一步降低了维修成本。
[0041] 使用多颗小功率LED作为光源可以进一步提高系统的电光转换效率，降低了散热难度，使数字微镜表面光照度分布更均匀，进而使得投射出的图像效果更好。
[0042] 使用单颗大功率LED作为光源可以减小系统的体积。
[0043] 所述的光源发射出的光线中有红、绿、蓝三种颜色，三种颜色的光线可以分别独立调节光的强弱；用户可以根据自己的颜色喜好来调节投影仪图像的色彩，进一步的，可以根据环境光的情况和显示内容的情况改变三种颜色光的强度，改变显示图像的亮度，达到最佳的显示效果。
[0044] 如图2及图4所示，光线通过整形透镜倾斜入射到数字微镜元件上，当数字微镜元件的反射镜处在第一个稳定状态时，大部分入射到反射镜上的光线在反射镜上的入射角接近于反射镜相对其自身平板状态的角度，即入射到反射镜上的光线在反射镜上的入射角约等于角I，大部分被反射镜反射的光线的方向几乎垂直于平板状态，这些光线也基本垂直于数字微镜元件表面，这些光线被投影透镜接收后成像，处在第一稳定状态的反射镜都在一个平面上，投影透镜将数字微镜元件上处在第一个稳定状态的微小的反射镜都成像在前方屏幕上，经过屏幕漫反射以后进入用户眼中，用户看到清晰的图像。屏幕的作用是接收从投影镜头投射出的光线，并使光线漫反射，屏幕可以是一面白墙，或者一张白纸，或者是其它任何能使光线漫反射的表面。如果数字微镜元件在投影透镜的物平面附近，可以通过调节投影透镜改变像平面的位置和像的大小。
[0045] 在一些情况下，所有入射到反射镜上的光线都是平行光，经过数字微镜元件上众多处于第一稳定状态的反射镜反射后，所有的反射光都是平行光，投影透镜和数字微镜元件之间的距离可以任意设置，只需要不挡住入射光即可，而不需要数字微镜元件在投影透镜的物平面附近，投影透镜到屏幕的距离也可以任意设置，在屏幕上都会成清晰的像，从投影镜头出射后的光线被屏幕漫反射后进入人眼，人可以看到屏幕上清晰的图像。
[0046] 如果入射光轻微的偏离了平行光，或者入射光中存在少量不平行的光线，数字微镜元件不在投影透镜的物平面上，投射到屏幕上的图像就会模糊。考虑到人眼的分辨率极限，当物体对人眼的视角小于1分时，人对物体的细节就不能分辨，看起来就是一点，因而允许屏幕上的图像存在轻微的模糊，在有些情况下，虽然人感受到屏幕上的图像有一些模糊，但用户仍然能够接受，所以屏幕上的图像可以有一些模糊。在这种情况下，只要不遮挡入射到数字微镜元件上的光线，投影透镜就可以距离数字微镜元件非常近，进一步降低了整机的体积，更便于携带，并且屏幕离投影透镜的距离也可以在较大的范围内任意设定，方便了用户的使用，甚至产生了另一个意想不到的技术效果：在特殊情况下，经过优化设计的投影镜头无需调节，降低了投影镜头的成本，方便了用户的使用，增加了投影镜头的可靠性。
[0047] 如图3所示，当反射镜处在第二个稳定状态时，大部分入射到反射镜上的光线在反射镜上的入射角接近于2I-J，绝大部分被反射镜反射的光线不能进入投影透镜，而是被吸收体所吸收。
[0048] 所述的光源和整形透镜在投影仪中的位置是固定的；固定的位置会使系统更加可靠；并且抗振动和冲击的能力更强；由于位置固定，不需要电机等运动机构，降低了成本。
[0049] 所述的整形透镜可以是凸透镜或菲涅尔透镜或梯度折射率透镜或复合透镜；这些透镜都可以使LED发出的光更接近于平行光；为了配合数字微镜元件的矩形外形，所述的整形透镜均设计成矩形的形状。当使用多颗LED的时候，矩形的透镜也便于加工或拼接。
[0050] 如果使用凸透镜或者菲涅尔透镜作为整形透镜，所述的光源的发光面在凸透镜或菲涅尔透镜的焦平面附近；使用凸透镜使成本更低，便于加工；使用菲涅尔透镜可以使光路更紧凑，使投影仪的体积更小，降低了仪器的重量。
[0051] 也可以采用复合透镜作为整形透镜，将会使通过整形透镜的出射光线更加平行，均匀性更好，复合透镜可以使用凸透镜和凹透镜的组合形式，也可以使用多种透镜进行组合，包括菲涅尔透镜和、或梯度折射率透镜和、或其它透镜。
[0052] 所述的梯度折射率透镜在光轴的横截面径向方向上折射率是变化的，且相对光轴成旋转对称变化；使用梯度折射率透镜可以使出射光线更加的均匀，准直性更好，简化了光学结构。
[0053] 优选的，光源中的每一颗LED封装了三片发光二极管，三片发光二极管分别发出红绿蓝三种光线，一个整形透镜中可以包含多个单元透镜，每一颗LED对应一个单元透镜。
[0054] 实施例一参见图4，采用LED和凸透镜的投影系统光路，包括LED、凸透镜、数字微镜元件、投影透镜、吸收装置，使用凸透镜作为整形透镜，该投影系统使用单颗大功率三基色LED作为光源，一个LED中封装了红绿蓝三颗发光二极管。
[0055] 所述的单颗大功率三基色LED使用的是Cree公司CLMUC-FKA型号的LED灯珠，该灯珠的封装尺寸较小，只有1.5mm×1.5mm×1.0mm，LED有四个引脚，发出红、绿、蓝三种光线的引脚分别接到负极，剩下的一个公共引脚接到正电压，通过控制红、绿、蓝三个引脚的电压或电流来控制三种颜色的变化；通过控制电流的强弱或占空比，来控制三种颜色的发光强度。
[0056] 在图4中，凸透镜与LED的距离约为透镜的一倍焦距，LED的发光面在整形透镜的焦点附近，LED出射的光线经过整形透镜后近似成为平行光并入射到数字微镜元件上，被第一稳定状态反射镜反射的光线再以几乎垂直于第一平板状态进入投影透镜。
[0057] 在一些特定情况下，LED可以当作点光源来处理，并且点光源的位置在整形透镜的焦点上，LED出射的光线经过整形透镜以后出射的是平行光，经过第一稳定状态时反射镜反射的光线也是平行光，只要投影透镜不挡住入射到数字微镜元件上的光线，投影透镜到数字微镜的距离可以任意设置，投影透镜到屏幕的距离也可以任意设置，在屏幕上都会成清晰的像，从投影镜头出射后的光线被屏幕漫反射后进入人眼，人可以看到屏幕上清晰的图像。这是一种光路简单、使用的元器件少、体积小、成本低、系统的电光转换效率高、杂散光少的新型投影系统解决方案。
[0058] 参见图5，在有些情况下，可以将LED当作很小的面光源来处理，面光源中心点发出的光线经过整形透镜后出射的光线为平行光M，而面光源上其它点出射的光线经过整形透镜以后会偏离所述的平行光M，这些偏离的光线可能会带来负面影响，离面光源中心最远的位置发出的光线偏离最明显，该光线以一定的倾角入射到整形透镜上，LED的面光源宽度计作d，透镜的焦距计作f，其中通过透镜光心的光线与透镜的主轴成β角，即：
[0059] d＝f·tanβ参见图6，光线主要以近似平行光的形式入射到数字微镜元件上，必然存在与平行光成一定夹角的光线入射到数字微镜元件上，数字微镜元件的有效区域对角线长度计作b，投影透镜可以采用矩形或圆形的，圆形投影透镜的入射光瞳直径计作c，投影透镜与数字微镜元件的距离计作L，经过整形透镜后与整形透镜的主轴成β角的光线，被第一稳定状态的微镜反射后同样以β角入射到投影透镜中，为了保证不浪费光线并减少杂散光，即: 代入前式得: 所以如果LED发出的光线不能看成点光源，只要用合适的透镜参数及投影透镜与数字微镜元件的距离，就可以消除LED面光源宽度过大对投影质量的影响。对于矩形透镜，C代表矩形透镜对角线的长度，也可以推导出类似的公式。
[0060] 图7是一个实施例，一种基于多颗LED和凸透镜的投影系统光路，该投影系统使用多颗小功率三基色LED组成的面阵作为光源，使用凸透镜作为整形透镜的单元透镜，一个整形透镜中包含多个单元透镜，每一颗LED对应一个单元透镜。
[0061] 参见图8，所述的多颗三基色LED光源使用的是Cree公司CLX6D-FKB型号的LED灯珠，该灯珠的封装尺寸较小，只有1.5mm×1.5mm×1.0mm，每颗LED有四个引脚，发出红、绿、蓝三种光线的引脚分别接到负极，剩下的一个公共引脚接到正电压，通过控制红、绿、蓝三个引脚的电压或电流来控制三种颜色的变化；通过控制电流的强弱，来控制三种颜色的发光强度。
[0062] 参见图9，多颗单元透镜紧密的排列在一起，透镜端面设计成矩形的形状，每一颗LED对应一个单元透镜。由于LED的发光角度较大，所以必然存在LED发出的光线倾斜入射到其它的透镜上，对光路造成影响，所以采用了吸收体把每一颗LED分隔开，如图8所示。
[0063] 图10也是一个实施例，用菲涅尔透镜作为整形透镜，每一颗LED独立的与菲涅尔透镜耦合。菲涅尔透镜与LED的距离为透镜的一倍焦距，LED出射的光线经过菲涅尔透镜后以平行光的形式入射到DMD上，入射到数字微镜元件上的光线被第一稳定状态的反射镜反射后以垂直于数字微镜元件表面进入投影透镜。
[0064] 图11是另一个实施例，用梯度折射率透镜代替凸透镜，使用梯度折射率透镜进行导光，每一颗LED独立的与梯度折射率透镜耦合。参见图12，图中的Z轴与光纤光轴重合，r表示光纤的径向坐标。若有一光线入射在光纤端面的光轴处O点，其入射角大小为UO，折射光线在O点的切线与Z轴的夹角为U′O，光线入射在梯度折射率透镜的端面的光轴处时有：
[0065] nO sin UO＝n(O)sin U′O
[0066] 式中，n(O)是光纤光轴处的折射率。在径向梯度折射率光纤中连续运用折射率定律可得：
[0067] n(O)sin(90°-U′O)＝n(r)sin(90°-U′)
[0068] n(O)cos U′O＝n(r)cos U′
[0069] 式中，U′为轨迹曲线上任意一点P的切线与Z轴的夹角。因为随着r的增大，n(r)越来越小，U′角也会越来越小。若r＝R时，U′＝O，表示光线的轨迹在此处为拐点，曲线开始向下弯曲，由上式可得：
[0070] n(O)cos U′O＝n(r)cos U′＝n(R)
[0071] n(R)表示r＝R处的折射率。
[0072] 因为：
[0073]
[0074] 所以：
[0075]
[0076] 光线在介质中传播时，光线是沿着光程为极值的路径传播的，所以有[0077] δL＝δ∫Tn(r)ds＝O
[0078] ∫Tn(r)ds＝常数
[0079] 式中，ds为距离光轴为r处的光线元长度，积分域为一个周期。上式说明以任意角度入射的子午光线在径向梯度折射率光纤中传播一个周期，不管光线轨迹如何变化，它们的光程长度是常数。在图4所示的一个周期内，该式可以写成：
[0080]
[0081] 假定在径向梯度折射率光纤中，子午光线的轨迹方程为正弦形式，即[0082]
[0083] 式中， H为周期长度，则有：
[0084] n2(r)＝n2(O)(1-A r2cos2U′O)
[0085] 上式可以简化得：
[0086]
[0087] 上式说明径向梯度折射率光纤中，其折射率变化近似为抛物线型分布。
[0088] 基于折射原理光线向中心自动偏转，因此其轨迹呈正弦曲线。一个周期正弦曲线的光学长度为P，可知：
[0089] 其中α为梯度折射率光纤的梯度折射率；
[0090] 当点光源置于长度为： 的梯度折射率透镜输入端面的轴上点处时，梯度折射率透镜可以出射平行光。这只是梯度折射率透镜的一种形式，为了改善出射光的质量，可以进一步修改梯度折射率透镜。
[0091] 如果改变了发光二极管表面封装材料；和、或封装材料的外形；封装材料直接构成整形透镜，发光二极管与整形透镜做在一起成为一体，那样发光二极管光源与整形透镜的可靠性将会更高，并进一步减小了体积，提高了抗振动和冲击能力，这种光源和整形透镜也是本专利申请中的光源与透镜的一种形式。
[0092] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创新构思的前提下，还可以作出的若干的变形和改进，这些都属于本申请的保护范围之内。
