CN102375236B - 光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光学系统，包括：一光源组件、一第一透镜阵列及一第二透镜阵列；其中第一透镜阵列位于光源组件的一侧，且包含多个第一透镜，所述这些第一透镜依照一第一图案排列，第一图案呈现非轴对称且具有一第一长轴；第二透镜阵列位于第一透镜阵列的一侧，且包含多个第二透镜，所述这些第二透镜依照一第二图案排列且第二透镜的光轴对齐第一透镜的光轴，第二图案呈现非轴对称且具有一第二长轴，第二长轴相对第一长轴偏转一第一角度。藉此，光源组件可产生一远心光束，光束中每一条光线由一轴对称光锥构成。第一透镜阵列及第二透镜阵列可将所述远心光束转换成一束非轴对称光锥构成的光线照射于一目标区域。

Description

光学系统

技术领域

本发明有关一种光学系统，特别关于一种可产生非轴对称光束的光学系统。

背景技术

数字光处理(digital light processing,DLP)投影机的组件大致可分成光学系统(optical system)、数字微镜装置(digital micromirror device,DMD)及投影透镜组(projection lens assembly)。其中，光学系统可产生一入射光束，照射于数字微镜装置；数字微镜装置包括多个微反射镜，照射于微反射镜上的入射光束会被反射；通过控制每一个微反射镜的偏转角度，可决定入射光束的哪些部份可被反射入投影透镜组中而投影出。

进一步地说明，请参阅图1，数字微镜装置的每一个微反射镜7可具有两种状态：亮状态(on)及暗状态(off)，分别以微反射镜7的旋转角度来区分。在亮状态时，微反射镜7约旋转12度；在暗状态时，微反射镜7约旋转-12度。不同状态下，光学系统产生的入射光束81会被微反射镜7反射成不同方向的第一反射光束71及第二反射光束72。

此外，入射光束81也会照射到数字微镜装置的平面结构(，例如两微反射镜7的间的平面，图未示)，然后被所述平面结构反射成另一反射光束，称为杂光(straylight)73。

在理想情况下，只有亮状态的第一反射光束71可通过投影透镜组9的光圈91而进入投影透镜组9中，然后再由投影透镜组9投射出，而第二反射光束72及杂光73不会通过光圈91。但实际上，杂光73会部分地进入投影透镜组9中。此原因为，杂光73在垂直微反射镜7的转轴74的方向75上，有过大的扩散角度α，使得杂光73在方向75上，会进入至光圈91中；此举会降低投影透镜组9投射出的影像的对比度(contrast)。

为了改善此缺失，有些方案被提出，例如美国专利公告号US7,246,923及US7,101,050所揭露者。所述这些方案中，光学系统可产生一非轴对称(non-radiallysymmetrical)的光束来照射于数字微镜装置上，使得微反射镜所反射出的反射光束、及平面结构反射出的杂光皆呈非轴对称；此时，投影透镜组的光圈的形状也为非轴对称。

非轴对称的反射光束及杂光在垂直微反射镜的转轴方向(例如图1的方向75)上，皆有较小的扩散角。如此，杂光较不会进入到投影透镜组的光圈中，使得投影透镜组投射出的影像的对比度可被提升。

另一方面，在平行微反射镜的转轴的方向上，非轴对称的反射光束会有较大的扩散角，使得反射光束可有较大的光展量(Etendue)。因此，在亮状态下，较大光展亮的反射光束可进入到光圈中，使得投影透镜组投射出的影像的亮度可被提升。

换言之，当光学系统所产生的光束为非轴对称时，对于投影透镜组投射出的影像的对比度及亮度，皆有助益。

然而上述方案中，光学系统会利用到一些较特殊的光学元件，例如聚光器(collector)或积分器(integrator)等，可能会使光学系统的制造成本提高。

有鉴于此，提供一种可改善上述缺失的光学系统，乃为此业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种光学系统，其可产生一非轴对称锥形光线构成的光束，且较无使用到特殊的光学元件。

为达上述目的，本发明所揭露的光学系统，包括：一光源组件；一第一透镜阵列，位于所述光源组件的一侧，且包含多个第一透镜，所述这些第一透镜依照一第一图案排列，所述第一图案呈现非轴对称且具有一第一长轴；以及一第二透镜阵列，位于所述第一透镜阵列的一侧而与所述光源组件相对，所述第二透镜阵列包含多个第二透镜，所述这些第二透镜依照一第二图案排列且第二透镜的光轴对齐第一透镜的光轴，所述第二图案呈现非轴对称且具有一第二长轴，其中，所述第二长轴相对所述第一长轴偏转一第一角度。

藉此，光源组件可产生一远心(telecentric)光束，光束中每一条光线由一轴对称光锥(light cone)构成。第一透镜阵列及第二透镜阵列可将所述远心光束转换成一束非轴对称光锥构成的光线照射于一目标区域。

为让上述目的、技术特征及优点能更明显易懂，下文以较佳的实施例配合附图进行详细说明。

附图说明

图1为传统的光学系统、微反射镜及投影透镜组的示意图；

图2为本发明的光学系统的第一较佳实施例与目标区域的示意图；

图3为图2的光学系统的光源组件的示意图；

图4为图2的光学系统的第一透镜阵列的示意图；

图5为图2的准直透镜阵列及第一透镜阵列的位置关系示意图；

图6为图2的光学系统的第二透镜阵列的示意图；

图7为图2的第一透镜阵列及第二透镜阵列的位置关系示意图；

图8为图2的第一透镜及第二透镜的尺寸关系示意图；

图9为图2的第一透镜阵列及第二透镜阵列的另一位置关系示意图；

图10为图2的目标区域的示意图；

图11，为图2的第一透镜与第二透镜在主光轴偏移后的示意图。

图12为图2的第二透镜阵列在主光轴偏移前与后的比较示意图。

图13为图12的第二透镜阵列在主光轴偏移后的所产生的非轴对称的光束的示意图。

【主要元件符号说明】

[本发明]

1 光学系统

11 光源组件

111 发光二极管阵列

1111 发光二极管

1111A 发光面

112 准直透镜阵列

1121 准直透镜

12 第一透镜阵列

121 第一透镜

1211 中心

1212 顶点

121A 第一截面

122 第一图案

1221 第一长轴

13、13’ 第二透镜阵列131、131’ 第二透镜

1311 中心

1312 顶点

131A 第二截面

132 第二图案

1321 第二长轴

14 中继透镜

15 合光元件

2 目标区域

21 微反射镜

211 转轴

22 延伸方向

3 投影透镜组

θ₁ 第一角度

θ₂ 第二角度

L1、L2、L3 光线

[传统]

7 微反射镜

71 第一反射光束

72 第二反射光束

73 杂光

74 转轴

75 方向

81 入射光束

9 投影透镜组

91 光圈

具体实施方式

请参阅图2，为本发明的光学系统的第一较佳实施例与一目标区域的示意图。所述光学系统1可包括：一光源组件11、一第一透镜阵列12及一第二透镜阵列13。

光源组件11可产生一远心光束，光束中每一条光线由一轴对称光锥(light cone)构成；第一透镜阵列12及第二透镜阵列13可将所述远心光束重新分布(redistribute)及重迭(overlap)，形成一非轴对称光锥构成的光束。为简洁说明的目的，『非轴对称光锥构成的光束』在后文中，可简称为非轴对称的光束。

以下将进一步说明光学系统1各元件的技术内容。

光源组件11构成方式有多种，本实施例中，光源组件11包括一发光二极管阵列111及一准直透镜阵列112。请参阅图3，为图2的光学系统的光源组件的示意图。发光二极管阵列111包括多个发光二极管1111，每个发光二极管1111皆有一个矩形的发光面1111A，用以发射出光线L1（如图2所示）。

发光面1111A发出的光线L1的最大发散角可达90度(视发光二极管的种类而定)，为了易于将发出的光线准直，发光面1111A可覆盖一层角度选择膜（angleselective film），使得发散角小于40度的光线L1才可通过角度选择膜。

准直透镜阵列112位于所述这些发光二极管1111的一侧，也就是位在发光二极管1111发射出的光线L1的光路上。准直透镜阵列112包括多个准直透镜1121，所述这些准直透镜1121分别光学地(optically)耦合所述这些发光二极管1111，也就是指，所述这些发光二极管1111发出的光线可通过至所述这些准直透镜1121。当光线L1通过准直透镜1121后，即会形成具有方向性的光线L2（如图2所示）。

值得一提的是，每个准直透镜1121的截面可为六角型(较接近圆形)，以较佳地涵盖发光二极管1111发射出的光线L1，减少光损失。此外，发光二极管1111的数目可不用与准直透镜1121的数目相同，发光二极管1111可只为一个。

虽然本实施例是以单个光源组件11为例，但本发明并不局限于此。于其他实施例(图未示)中，光学系统可包括多个(例如三个)光源组件，每个光源组件可分别产生不同颜色(例如红、黄及绿)的远心光束。所述这些远心光束可通过一合光元件(combining optical component)15结合，然后传递至第一透镜阵列12。换言之，如果只有单个光源组件11，则合光元件15为可省略的。

请复参阅图2，第一透镜阵列12位于光源组件11(准直透镜阵列112)的一侧，用以将光源组件11产生的远心光束汇聚至第二透镜阵列13中。

第一透镜阵列12包含多个第一透镜121，其种类可为平凸透镜或双凸透镜等可聚光的透镜。请参阅图4，为图2的光学系统的第一透镜阵列的示意图。所述这些第一透镜121各具有一矩形的第一截面121A，且所述这些第一透镜121依照一第一图案122排列，也就是指，所述这些第一透镜121会相互地并排(或邻接)，以使得所述这些第一透镜121的第一截面121A共同地构成所述第一图案122。

所述第一图案122呈现非轴对称，意指所述第一图案122可为长方形或椭圆形等非圆形的图案。因此，所述这些第一透镜121的第一截面121A会共同地构成类似长方形或椭圆形的图案。此外，由于为非轴对称，第一图案122会具有一第一长轴1221。第一长轴1221表示第一图案122较长尺寸的方向，且第一长轴1221跟第一透镜121的第一截面121A的其中一边平行。

请参阅图5，为图2的准直透镜阵列及第一透镜阵列的位置关系示意图。前文提及，第一透镜阵列12是用以将光源组件11产生的远心光束汇聚至第二透镜阵列13。因此，为了减少远心光束未通过第一透镜阵列12而造成的光损失，准直透镜阵列112的准直透镜1121可排列接近于第一图案122，以使得准直透镜阵列112所发射出的远心光束大都可进入第一透镜阵列12。

值得一提的是，准直透镜1121的数目可不需与第一透镜121的数目一致。

请复参阅图2，第二透镜阵列13位于第一透镜阵列12的一侧而与光源组件11相对；换言之，第一透镜阵列12位于第二透镜阵列13及光源组件11之间。第二透镜阵列13用以将汇聚至第二透镜阵列13中的光线，重新分布及重迭，以形成非轴对称的光束。

第二透镜阵列13包含多个第二透镜131，其可为平凸透镜或是双凸透镜等可聚光的透镜。所述这些第二透镜131的数目与第一透镜121的数目一致，且所述这些第二透镜131分别光学地(optically)耦合所述这些第一透镜121，意指，所述这些第一透镜121发射出的光可进入所述这些第二透镜131中；或是指，第二透镜131的光轴可对齐第一透镜121的光轴。

请参阅图6，为图2的光学系统的第二透镜阵列的示意图。所述这些第二透镜131各具有一矩形的第二截面131A，且所述这些第二透镜131依照一第二图案132排列，也就是，所述这些第二透镜131会相互地并排(或邻接)，以使得所述这些第二透镜131的第二截面131A共同地构成所述第二图案132。

与第一图案122相似，所述第二图案132也呈现非轴对称，因此所述这些第二透镜131的第二截面131A会构成类似长方形或椭圆形的图案。此外，第二图案132具有一第二长轴1321，来表示第二图案132较长尺寸的方向；且此第二长轴1321与第二透镜131的第二截面131A的其中一边平行。

请参阅图7，为图2的第一透镜阵列及第二透镜阵列的位置关系示意图。第二图案132的第二长轴1321相对于第一长轴1221偏转一第一角度θ₁，使得每个第一透镜121也相对第二透镜131偏转所述第一角度θ₁。

请参阅图8，为图2的第一透镜及第二透镜的尺寸关系示意图。为了减少第一透镜121及第二透镜131光耦合时的光损失，第一透镜121的第一截面121A的面积及第二透镜131的第二截面131A面积可设置成实质上相同(可能因为制造公差或误差而有些差异)；第一截面121A的长x1与宽y1，与第二截面131A的长x2与宽y2，将符合方程式(1)：

${\mathrm{\θ}}_1={\cos }^{-1}\left(\sqrt{x2\·y1/x1\·y2}\right)...\left(1\right)$

如此，当第一截面121A的长x1与宽y1已知时，可通过方程式(1)，来求得第二截面131A的长x2与宽y2。

当方程式(1)符合后，第一透镜阵列12的行(row)会偏移一第一偏移量s1，第二透镜阵列13的列(column)则偏移一第二偏移量s2。第一偏移量s1、第一截面121A的宽y1及第一角度θ₁的关系为：s1=y1·tanθ₁，第二偏移量s2、第二截面131A的长x2及第一角度θ₁的关系为：s2=x2·tanθ₁。

请参阅图9，为图2的第一透镜阵列及第二透镜阵列的另一位置关系示意图。另一方面，当方程式(1)符合后，第一透镜阵列12的第一透镜121的中心1211，会对齐第二透镜阵列13的第二透镜131的中心1311，以进一步减少光损失。

请复参阅图2，通过第一透镜阵列12及第二透镜阵列13的相互偏转，光源组件11所产生的远心光束即可转换成非轴对称光锥构成的光束。尔后，光学系统1可通过多个中继透镜(relay lens)14，将非轴对称光锥构成的光束照射于目标区域2上。

请参阅图10，为图2的目标区域的示意图。目标区域2可为任何被非轴对称的光束照射时，可产生有益效果的区域。本实施例中，目标区域2是由一微数字微镜装置的多个微反射镜21所形成，或言之，所述这些微反射镜21分布于所述目标区域2中。所述这些微反射镜21各沿一转轴211进行偏转(摆动)，以选择是否将非轴对称的光束反射至一投影透镜组3中。

目标区域2的形状为一矩形，且定义有一延伸方向22，延伸方向22与目标区域2的其中一边平行，且转轴211(或转轴211的假想延伸线)相对于延伸方向22偏转一第二角度θ₂。请配合参阅图7，第一图案122与第二图案132所夹的第一角度θ₁实质上可与二角度θ₂相等，以使得入射到目标区域2的非轴对称的光束的发散角较大的方向，能沿着微反射镜21的转轴211。这样，非轴对称的光束在目标区域2上反射出的杂光，较不会进入到投影透镜组3中。

请复参阅图2，值得一提的是，鉴于所述这些第一透镜121通过所述这些第二透镜131成像于目标区域2上，第一透镜121的第一截面121A的形状可对应目标区域2的形状，以减少光损失。同理，鉴于所述这些发光二极管1111通过所述这些第一透镜121成像于第二透镜131上，发光二极管1111的发光面1111A的形状可对应第二透镜131的第二截面131A的形状。

因此，只要知道目标区域2的长宽比，即可得到较佳的第一截面121A的长宽比；尔后再配合方程式(1)，可得到较佳的第二截面131A的长宽比，以及第二截面131A所对应的发光面1111A的长宽比。

举例而言，若目标区域2的长宽比为16：9(既1.77：1)，第一截面121A的长宽比会对应地为16：9；然后依据方程式(1)，在第一角度θ₁为45度下，第二截面131A的长宽比可得到约为：1.125：1，发光二极管1111的发光面1111A的长宽比也对应地为：1.125：1。

在某些情况下，依据方程式(1)所求得的特定长宽比，并无法轻易寻找符合的发光二极管1111，可能市场上没有贩卖或是难以制造。较佳地的解决方法为，以接近的长宽比来替代；例如所求得的特定长宽比为1.125：1时，可用具有长宽比为1：1的发光面1111A的发光二极管1111来替代。

而当发光二极管1111的发光面1111A长宽比被替代后，第二透镜131的第二截面131A长宽比可随的改变。在此情况下，第二截面131A的面积与第一截面121A的面积将变为不相同。

请参阅图11，为图2的第一透镜与第二透镜在主光轴偏移后的示意图。为了使面积不同的第二透镜131与第一透镜121光耦合时的光损失降低，第二透镜131的主光轴会偏移，不位于第二透镜131的中心1311；第一透镜121的主光轴也是。

详言之，第二透镜131的主光轴会偏移至第二透镜131的顶点1312，且顶点1312会对齐第一透镜121的中心1211；第一透镜121的主光轴会偏移至第一透镜121的顶点1212，且顶点1212会对齐第二透镜131的中心1311。如此，从第一投镜121投射来的不同方向的光线L3在通过第二透镜131后，可变成同方向的光线L3。

请参阅图12，为图2的第二透镜阵列在主光轴偏移前与后的比较示意图。为方面说明，主光轴偏移后的第二透镜阵列及第二透镜另标号为13’及131’，且另加上剖面线。每一个第二透镜131’的主轴偏移量几乎不相同，通常位于较外围的第二透镜131’会有较大的偏移量。请参阅图13，为图12的第二透镜阵列在主光轴偏移后的所产生的非轴对称的光束的示意图。第二透镜阵列13’所产生的非轴对称的光束的形状，会对应第二透镜阵列13’的形状。

纵上所述，本发明的光学系统可具有至少以下特点：

1、通过偏转的第一透镜阵列及第二透镜阵列，光学系统即可产生非轴对称的光束，光学系统不需较特殊的光学元件。

2、第一透镜的截面形状与目标区域的形状可相对应，而第二透镜的截面形状与光源组件的发光面的形状可相对应，藉此减少光损失。

3、第一透镜的截面与第二透镜的截面可有相同的面积，且可符合特殊的方程式(1)，藉此减少光损失。

4、第一透镜的主光轴及第二透镜的主光轴可偏移，以减少第一透镜的截面与第二透镜的截面面积不一致时，所造成的光损失。

上述的实施例仅用来例举本发明的实施态样，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的保护范畴。任何熟悉此技术者可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利保护范围应以权利要求为准。

Claims (11)

1.一种光学系统，包括：

一光源组件；

一第一透镜阵列，位于所述光源组件的一侧，且包含多个第一透镜，所述这些第一透镜依照一第一图案排列，所述第一图案呈现非轴对称且具有一第一长轴；以及

一第二透镜阵列，位于所述第一透镜阵列的一侧，并与所述光源组件相对，所述第二透镜阵列包含多个第二透镜，所述这些第二透镜依照一第二图案排列且光学地耦合所述这些第一透镜，所述第二图案呈现非轴对称且具有一第二长轴，其中，所述第二长轴相对所述第一长轴偏转一第一角度；

藉此，所述光源组件用以产生一准直光束，所述第一透镜阵列及所述第二透镜阵列用以将所述准直光束转换成一非轴对称的光束于一目标区域。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述目标区域由一数字微镜装置的多个微反射镜所形成，所述这些微反射镜各沿一转轴进行偏转，所述目标区域定义有一延伸方向，所述转轴相对于所述延伸方向偏转一第二角度，所述第二角度与所述第一角度相等。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，各所述第一透镜具有一第一截面，所述第一截面的形状与所述目标区域的形状相对应。

4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第一截面及所述目标区域各为一矩形，所述第一截面的一长宽比与所述目标区域的一长宽比相同。

5.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，各所述第二透镜具有一第二截面，所述第二截面的面积与所述第一截面的面积相同。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述这些第一透镜的中心分别对齐所述这些第二透镜的中心。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述这些第一透镜的中心分别对齐所述这些第二透镜的顶点，所述这些第一透镜的顶点分别对齐所述这些第二透镜的中心。

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光源组件包含至少一发光二极管及一准直透镜阵列，所述准直透镜阵列位于所述至少一发光二极管的一侧，所述准直透镜阵列用以将所述至少一发光二极管所产生的光线转换成所述准直光束。

9.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述至少一发光二极管具有一发光面，而各所述第二透镜具有一第二截面，所述发光面的形状与所述第二截面的形状相对应。

10.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述第二截面及所述发光面各为一矩形，所述第二截面的一长宽比与所述发光面的一长宽比相同。

11.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一角度为45度。