CN102654645A - 一种投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种投影光学系统，其包括光源，聚光透镜组，分光发射镜，匀光镜，至少一个中继镜，及分光棱镜（TIR棱镜），数字微反射镜组以及一个投影镜头。光源发出的光经过聚光透镜组后再由分光反射镜反射或透射后汇聚到匀光镜上，然后光束依次经过中继透镜，TIR棱镜，数字微反射镜装置，接着被微反射镜装置反射再次通过分光棱镜（TIR棱镜），最后进入投影镜头投射到屏幕。在本发明中可以通过调整中继透镜来改变光束入射到TIR棱镜面的方向，从而可以有效补偿由于其他光学元件的误差而引起的光路系统效率下降。且调整简单易于操作，本发明光路所用光学元件少，光路简单，为系统的小型化提供了可行性。

Description

一种投影光学系统

技术领域

本发明涉及投影光学系统，尤其涉及适合于微反射镜的转动轴与DMD系统基准成90度（即转动轴与DMD有效矩形区域的边平行或垂直）的投影光学系统。

 

背景技术

当今普遍使用的LED光源的DMD投影系统中，如图1所示，包含三个光源（101,102,103），以及与光源对应的三个聚光透镜组（111,112,113），分光反射镜（121,122），具有匀光作用的匀光系统（131）以及中继透镜组，折返光路所用的折镜（181），分光棱镜（TIR棱镜）（161），一个数字微反射镜装置（151）（DMD），一个投影镜头（171）。在此系统中三个光源分别发出R,G,B三色光，经所述聚光透镜组汇聚后再由所述分光反射镜反射或透射到所述匀光系统中，之后光束通过所述中继透镜组，再由所述折镜将光束方向折反，折镜与Z轴的夹角为α。折返后的光束方向与原方向成一定角度，再入射到分光棱镜，经数字微反射镜装置反射后再次通过分光棱镜，进入投影镜头，投射到屏幕。此系统中可以通过调整所述折镜（181）的角度α来调整光束入射到所述分光棱镜的角度，以此来补偿由于其他光学元件的加工公差或装配误差而引起的系统效率损失。但由于加入折镜，光路变的复杂，光学元件增多，不利于光学系统的小型化，且造成系统成本增加。为此本发明提供了一种更紧凑的光学系统，光学元件减少，便于装配，为系统小型化提供了可行性。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种投影光学系统。此系统中包括光源（201,201,203），聚光透镜组（211,212,213），分光反射镜(221,222)，匀光镜（231），至少一个中继透镜(241)，及分光棱镜(261)（TIR棱镜），数字微反射镜装置(251)以及一个投影镜头(271)。光源发出的光经过聚光透镜组后再由分光反射镜反射或透射后汇聚到匀光镜（231）上，然后光束依次经过中继透镜（241），TIR棱镜（261），数字微反射镜装置（251），接着被微反射镜装置（251）反射再次通过分光棱镜（261）（TIR棱镜），最后进入投影镜头（271）投射到屏幕。在本发明中可以通过在X、Y、Z方向上分别微调中继透镜（241）改变光束入射到TIR棱镜（261）的方向，从而可以有效补偿由于其他光学元件的误差而引起的光路系统效率下降，且调整简单易于操作。本发明光路所用光学元件少，光路中除分光反射镜外再无其他折镜，为系统的小型化提供了可行性。

    本发明中针对所述中继透镜的调节系统，由镜片组（611），小镜框（621），中镜框（622），大透镜框（623），楔形块（641,642），弹性装置（631,632,633），调节杆（651,652,653）构成，调整调节杆可以对中继透镜组在X,Y,Z方向上的位置作分别调节，其中镜片（611）装配在小镜框（621）中，小镜框（621）通过弹性装置（631）与楔形块（641）装配在中镜框（622）中，中镜框（622）再通过另外的弹性装置（632）与调节杆（653）装配在大镜框（623）中，大镜框（623）通过楔形块（642）与弹性装置（633）装配在引擎底壳（601）上，通过调节杆（651）调节楔形块（641）可使小镜框（621）带动镜片（611）在Y方向上作位置调整，调节调节杆（653）可以使中镜框（622）带动小镜框（621）在X方向上作位置调整，通过调整调节杆（652）可以使大镜框（623）带动中镜框（622）做Z方向上的位置调整，从而实现中继透镜组在X,Y,Z,方向上都可以作位置调整。

本发明中所用的数字微反射镜装置（251）（DMD），是以一定间隔设置以一定角度可转动的微反射镜阵列构成，微反射镜的转轴与DMD系统基准成90度（即转动轴与DMD有效矩形区域的边平行或垂直）。其与转轴与DMD系统基准成45度的DMD相比，光束入射方向由DMD的对角方向变为DMD有效矩形区域的边的方向，这样有利于系统小型化的要求。

本发明中所述的分光棱镜（261）（TIR棱镜）是针对本发明中所述的数字微反射镜装置（251）（DMD）而设计的棱镜系统。其可将从中继透镜（241）中出射的光束全反射到所述微反射镜装置（251）工作状态(ON)时所需的角度。光束经所述微反射镜（251）反射后再次进入所述分光棱镜（261）（TIR棱镜）后可直接进入所述投影镜头（271）而投射到屏幕。而当所述微反射镜装置（251）为非工作状态（“stay”  or “OFF”）时，所述分光棱镜（261）（TIR棱镜）可将所述微反射镜装置（251）反射的光束折射或全反射到完全偏离所述投影镜头（271）光轴的方向。而提高系统对比度，且在第二棱镜上增加全反射面2C后棱镜的体积减小，可使系统小型化。

附图说明

图1 现有的典型光路示意图

图2为本发明的投影系统结构示意图

图3A 为图1典型光路中所述的数字微反射镜装置（DMD）示意图

图3B 为本发明所述的数字微反射镜装置（DMD）示意图

图4Ａ为现有典型光路中使用的TIR棱镜示意图

图4B 为现有典型光路中针对图3A所述DMD而使用的TIR棱镜示意图。

图4C为图4B的正视图

图5A 为本发明中针对图3B所述微反射镜装置（DMD）而设计的分光棱镜（TIR棱镜）斜视图

图5B为本发明中的分光棱镜（TIR棱镜）在本针对发明中所述的微反射镜装置（DMD）（图3B）处于工作状态(“ON”)时的说明示意图

图5C（1）为本发明中的分光棱镜（TIR棱镜）在针对本发明中所述的微反射镜装置处于非工作状态(“OFF”)时的说明示意图

图5C（2）为图4A所示棱镜在针对本发明中所述的微反射镜装置（图3B）处于非工作状态(“OFF”)时的说明示意图

图6A为对中继透镜作调整的调节系统结构图

图6B为调节系统上视图。

具体实施方式

本发明提供一种将光学引擎小型化的具有可行性的方法，下面将结合图示对本发明中的实施方式及优点进行说明。图2为本发明一实施例的示意图。本发明包括光源（201,201,203），聚光透镜组（211,212,213），分光反射镜(221,222)，匀光镜（231），至少一个中继镜(241)，及分光棱镜(261)（TIR棱镜），数字微反射镜组(251)以及一个投影镜头(271)。光源发出的光经过聚光透镜组后再由分光反射镜反射或透射后汇聚到匀光镜（231）上，然后光束依次经过中继透镜（241），TIR棱镜（261），数字微反射镜装置（251），接着被微反射镜装置（251）反射再次通过分光棱镜（261）（TIR棱镜），最后进入投影镜头（271）投射到屏幕。在本发明中中继透镜（241）可以在X、Y、Z方向都可以进行位置调整，以此来调整光束入射棱镜的方向（角度），相比较使用折镜调整来调整光束方向的系统，本发明可以将系统小型化，紧凑化。本发明中中继透镜（241）位置调整是在光学系统设计的理论位置的基础上进行微调，目的在于补偿由于系统中的其他光学元件的加工公差，装配误差等因素引起的光学系统光效率及光均匀度的损失。从而可以改善，提高光学系统的性能。本发明中，可调整的中继透镜（241）在匀光系统（231）与分光棱镜（261）之间。

图6A显示了本发明中所述的中继透镜的调节系统的一个实施例，调节系统由镜片组（611），小镜框（621），中镜框（622），大透镜框（623），楔形块（641,642），弹性装置（631,632,633），调节杆（651,652,653）构成，调整调节杆可以对中继透镜组在X,Y,Z方向上的位置作分别调节，其中镜片（611）装配在小镜框（621）中，小镜框（621）通过弹性装置（631）与楔形块（641）装配在中镜框（622）中，中镜框（622）再通过另外的弹性装置（632）与调节杆（653）装配在大镜框（623）中，大镜框（623）通过楔形块（642）与弹性装置（633）装配在引擎底壳（601）上，通过调节杆（651）调节楔形块（641）可使小镜框（621）带动镜片（611）在Y方向上作位置调整，调节调节杆（653）可以使中镜框（622）带动小镜框（621）在X方向上作位置调整，通过调整调节杆（652）可以使大镜框（623）带动中镜框（622）做Z方向上的位置调整，从而实现中继透镜组在X,Y,Z,方向上都可以作位置调整。所述调节系统中的所述弹性装置可以是任何有弹性的物质制成。

本发明中所用的数字微反射镜装置（251）（DMD）是以一定间隔设置以一定角度可转动的微反射镜阵列，微反射镜的转轴与DMD系统基准成90度（即转动轴与DMD有效矩形区域的边平行或垂直）（图3B所示）。此微反射镜装置（251），要求光束入射方向为沿DMD有效矩形区域的边的方向，这样有利于系统小型化的要求。

在本发明中所述的分光棱镜（261）（TIR棱镜）是针对本发明中所述的微反射镜装置（251）（DMD）而设计的用于进行分光的装置。由于本发明中所述的DMD（251）所要求的入射光束方向是沿着DMD有效矩形区域的边的方向，即可以理解为光束从中继透镜（241）出射后一直到从投影镜头出射（271），光束的传播方向在同一平面内。而现有技术的典型光路中（图1所示）光束从中继透镜（141）出射后一直到从投影镜头出射（171），光束的传播方向不在同一平面内。所以本发明中的分光棱镜（261）可以设计的更小，而且结构更简单，加工更容易。

本发明中的分光棱镜（图5A）由两部分组成，及第一棱镜（511）与第二棱镜（521）组成。第一棱镜（511）将从中继透镜出射的光束通过第一棱镜全反射变为微反射镜装置（DMD）所要求的角度。第二棱镜（521）将微反射镜装置为工作状态“ON”时的反射光束引导进入投影镜头或是将微反射镜装置为非工作状态“stay”或“OFF”时的反射光束通过折射或全反射使之远离投影镜头的光轴方向（参考图5B，图5C（1）），其中第一棱镜的S1面与第二棱镜中的S2面分别与投影镜头光轴垂直。图5B中所示，第一棱镜（511）中的角度θ1，θ2，由微反射镜装置中微反射镜的偏转角度（半角12°或10°）以及棱镜的材料折射率n决定。θ2变化则光束从分光棱镜出射后进入投影镜头的角度要变化，θ1发生变化则从中继透镜入射到分光棱镜的光束可能会不满足全反射条件，也有可能满足全反射条件但光束入射到微反射镜装置的角度并非微反射镜装置所需的角度，从而降低系统光效率。以微反射镜的转动角度为12°，棱镜材料为BK7（折射率为1.5168）为例，取DMD上的边界光线计算，从第一棱镜的S1面入射到DMD上的角度为12°的光线在棱镜中与S1面法线的角度β可以根据折射定律计算得：β=7.88°，而此光线要发生全反射则θ1=arcsin（1/n）-β=33.4°。θ2满足：θ2的设定要让光束从分光棱镜出射后进入投影镜头时的光轴要与

投影镜头的光轴尽量重合。

第二棱镜中的θ3，θ4则可以控制本发明所述的微反射镜装置处于非工作状态时的反射光的角度，以及棱镜的大小（图5C（1）），其中θ4满足：可以让本发明所述的微反射镜为-12°时的反射光经过第二棱镜的S3面和S2面全反射从S4面出射。θ3满足：微反射镜装置为非工作状态“OFF”时即，微反射镜转角为-12°时的反射光不能再S5面上反射。本发明中分光棱镜的第二棱镜中的全反射面可以很大程度上缩小棱镜的体积。（图5C（2）为第二棱镜中没有做全反射面的实施例，相同的DMD系统如果要让DMD在“ON”时的反射光与DMD在“OFF”时的反射光完全的分开，体积要大很多。）

本发明中分光棱镜的材料可以是BK7以外的其他材料，则分光棱镜中的各个角度也要以材料的变更而变更。本发明中分光棱镜的θ1，θ2 ，θ3，    θ4 ，在满足本发明基本原理的前提下数值不是唯一的。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定                                                

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Claims (6)

1.一种投影光学系统，包括三个光源，与光源对应的三个聚光透镜组，一组分光反射镜，匀光镜，中继透镜，TIR棱镜，数字微反射镜装置，以及一个投影镜头，其特征在于所述光学系统中除分光反射镜外无其他折镜，且中继透镜有位置调节系统。

2.根据权利要求1所述的一种投影光学系统，其特征在于所述光束从匀光镜出射后直接经过中继透镜，直接进入TIR棱镜。

3. 根据权利要求1或2所述的一种投影光学系统，其特征在于所述光学系统中的中继透镜可以通过调节系统对其进行x、y、z方向上的位置调节，使之可以补偿由于其他光学元件的加工公差和装配公差而引起的系统效率损失。

4.4．根据权利要求1 所述的一种投影光学系统，其特征在于所述系统中的匀光装置位于分光反射镜与中继透镜之间。

5. 根据权利要求1所述的一种投影光学系统，其特征在于所述系统中的微反射镜装置以固定间隔设置固定角度可转动的微反射镜阵列，且微反射镜的转动轴与微反射镜装置的系统基准成90度。

6. 根据权利要求1所述的一种投影光学系统，其特征在于所述系统中的分光棱镜，由两块较小的棱镜构成，即由第一棱镜与第二棱镜粘合而成，且第一、第二棱镜中都有全反射面。

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