CN106200239B - 光机照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光机照明系统，属于激光投影领域。所述光机照明系统包括：前段子系统和后段子系统，所述前段子系统用于将光源发射的第一平行光束汇聚到所述后段子系统的物方焦平面上，所述后段子系统用于将汇聚后的光束转化为第二平行光束，并将所述第二平行光束按照预设入光角度发射至数字微镜装置DMD的光阀面。解决了现有的光机照明系统的容差性较差，扩展空间较小的问题。本发明提高了光机照明系统容差性，增大扩展空间。本发明用于进行光源与DMD之间的光传输。

Description

光机照明系统

技术领域

本发明涉及激光投影领域，特别涉及一种光机照明系统。

背景技术

数字光学处理(英文：Digital Light Processing；简称：DLP)投影机是一种高精度投影机，可以包括：光源、光机照明系统、数字微镜装置(英文：Digital MicromirrorDevice；简称：DMD)和镜头等。其中，DMD是DLP投影机的核心元器件，包括控制部件、矩形基片和在该基片上阵列排布的多个光阀(也称微镜片)，该控制部件可以根据投影图像信号内容控制多个光阀发生正负方向的旋转。

如图1所示，目前的DLP投影机中，光源10提供的时序性的三基色光经由光机照明系统(图1中未画出)照射在DMD20的基片201上阵列的微镜片上，其中，照射在正方向旋转的光阀202上的光束会被反射到镜头30上，照射在负方向旋转的光阀203上的光束会被发射到光吸收单元40上，由光吸收单元40吸收，不会投射入镜头中，从而形成整个投影图像色彩明暗不同的显示效果。光机照明系统用于将光棒或光匀化部件出口位置的物面成像于DMD光阀面上。DMD作为光调制部件，是光机部分的核心部件，其将光束投射入投影镜头中进行投射成像，因此光机照明系统的设计需要根据DMD的需求而定。

在实际应用中，DMD因为型号的不同，对光的入射要求也不同，从而对光机照明系统的能力要求也不同。光机照明系统的设计关系到投影图像的亮度均匀性，对比度参数，因此镜片之间配合关系紧密，设计精度要求高，一旦设计完成后很难调试，造成了整个光机照明系统容差性较差，扩展空间较小。

发明内容

为了解决现有技术的容差性较差，扩展空间较小的问题，本发明实施例提供了一种光机照明系统。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种光机照明系统，所述光机照明系统包括：

前段子系统和后段子系统，所述前段子系统用于将光源发射的第一平行光束汇聚到所述后段子系统的物方焦平面上，所述后段子系统用于将汇聚后的光束转化为第二平行光束，并将所述第二平行光束按照预设入光角度发射至数字微镜装置DMD的光阀面。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的光机照明系统，由于采用远心系统架构，且为两段式系统架构设计，前段子系统和后段子系统之间传输的是平行光束，因此，可根据前后段子系统需求，分别设计其内部结构，而两个子系统相互之间受到的影响较小，从而提高该光机照明系统容差性，增大扩展空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种传统的DLP投影机的结构示意图。

图2是本发明一示意性实施例提供的一种光机照明系统的结构示意图。

图3是本发明一示意性实施例提供的一种匀化装置上的物点成像的光路示意图。

图4是本发明一示意性实施例提供的另一种光机照明系统的结构示意图。

图5是本发明一示意性实施例提供的一种TIR棱镜的结构示意图。

图6是本发明一示意性实施例提供的又一种光机照明系统的结构示意图。

图7是本发明一示意性实施例提供的一种TIR棱镜上涂有消光漆的结构示意图。

图8是本发明一示意性实施例提供的挡光片C的放大结构示意图。

图9是本发明一示意性实施例提供的系统优化更改前的软件模拟的光斑照度图。

图10是本发明一示意性实施例提供的系统优化更改后的软件模拟的光斑照度图。

图11是本发明一示意性实施例提供的系统优化更改后的光机照明系统的均匀性示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供一种光机照明系统，如图2所示，该光机照明系统可以为远心光学系统。光机照明系统包括：

前段子系统01和后段子系统02，前段子系统01用于将光源发射的第一平行光束汇聚到后段子系统02的物方焦平面上，后段子系统02用于将汇聚后的光束转化为第二平行光束，并将第二平行光束按照预设入光角度发射至数字微镜装置DMD20的光阀面。其中，物方焦平面指的是过物方焦点且垂直于系统主光轴的平面，后段子系统02的物方焦平面指的是过该后段子系统的物方焦点且垂直于系统主光轴的平面。

由于光机照明系统为远心光学系统，且前段子系统用于将光源发射的第一平行光束汇聚到后段子系统的物方焦平面上，因此前段子系统和后段子系统之间传输的是平行光束，该平行光束指的是同一像点发出的光线为平行光。

综上所述，本发明实施例提供的光机照明系统，由于采用远心系统架构，且为两段式系统架构设计，前段子系统和后段子系统之间传输的是平行光束，因此，可根据前后段子系统需求，分别设计其内部结构，而两个子系统相互之间受到的影响较小，从而提高该光机照明系统容差性，增大扩展空间。

进一步的，通过分别设计两个子系统，可以便于实现最佳匹配，对于光机照明系统的公差(如各种镜片加工、组装累计公差)便于通过两段式系统架构的分别调试来实现误差的消除，也可以通过在每段中进行增减镜片数量来调节光机照明系统的整体容差能力，整体来说，该光机照明系统结构的简洁。并且前段子系统和后段子系统的光焦度范围(焦距的倒数)，均可根据系统需求确定，无限制，其中，光焦度是表征光学系统偏折光线的能力。

实际应用中，光机照明系统还可以包括：匀化装置，该匀化装置可以为光导管或光棒，其位于光源与前段子系统之间，用于将光源发射的光匀化后发射至前段子系统。

在本发明实施例中，匀化装置的出光面为物面，DMD的光阀面为像面。匀化装置物面上的每个物点的主光线相互平行，物点在DMD的光阀面上成像成为像点。匀化装置的每个物点出射的光线具有发散角度，前段子系统将该具有发散角度的光线转化为平行光。

如图3所示，后段子系统还包括：全内反射(英文：Total Internal Reflection；简称：TIR)棱镜，以匀化装置的某一物点R为例，该物点R发射出的光线具有一定的发散角度，经过前段子系统01变成了平行光，平行光发射至后段子系统02的TIR棱镜上，TIR棱镜将平行光反射至DMD20的光阀面上，在该DMD20的光阀面上汇聚为点R’，光阀面上汇聚的点R’即为物点R在光阀面上成像的像点。由图3可知，孔阑设于前段子系统01的物方焦平面，前段子系统01的同一视场的光线平行出射。

在本发明实施例中，DMD入射到镜头的光束是平行光，从而对于镜头来说，镜头接收的光线是平行光，即使前端的匀化装置，及光机照明系统调整改变，影响不会传递到镜头，从而不影响镜头的成像能力。

进一步的，镜头接收平行光的好处还包括：非平行光会带来像差，而平行光入射，相当于镜头对无穷远成像，不存在像差，从而使得镜头的成像效果更好。

在本发明实施例中，前段子系统和后段子系统的光焦度范围(焦距的倒数)，可根据系统需求确定，本发明实施例对此不做限定，其中，光焦度用于表征光学系统偏折光线的能力。

可选的，前段子系统01包括m片镜片，0＜m≤2。例如，如图2或图3所示，前段子系统可以包括2片镜片，该2片镜片均为球面镜。

可选的，后段子系统02包括n片镜片，0＜n≤2；例如，如图2或图3所示，后段子系统可以包括2片镜片，2片镜片均为非球面镜或者2片镜片均为球面镜。

又例如，如图4所示，后段子系统包括1片镜片，1片镜片为非球面镜。实际应用中，前段子系统和后段子系统中的镜片个数和其他设置也可以根据具体情况进行调整，图2至图4只是示意性说明，本发明实施例提供的光机照明系统采用两段式设计且镜片数较少的光学架构也有利于调整成像质量。

进一步的，如图2至图4任一图所示，后段子系统还包括：TIR棱镜021，后段子系统02的n片镜片用于前段子系统01发射的汇聚光束进行处理得到第二平行光束，并将第二平行光束发射至TIR棱镜021上，由TIR棱镜021将第二平行光束发射至DMD20的光阀面。示例的，第一平行光束的光束角可以为23°-28°，入射在DMD光阀面的主光线的角度可以为34°，也即是第二平行光束的主光轴的入射角度为34°。

可选的，如图5所示，TIR棱镜021由两个三角棱镜(也称三棱镜)组成，图5中，两个三角棱镜包括第一TIR棱镜0211和第二TIR棱镜0212，其中，第一TIR棱镜0211相较于第二TIR棱镜0212更靠近后段子系统的n片镜片，该第一TIR棱镜0211的三个侧面(三个棱中每两个相邻的棱所在面为一个侧面)包括第一侧面P1、第二侧面P2和第三侧面P3，第二TIR棱镜0212的三个侧面(三个棱中每两个相邻的棱所在面为一个侧面)包括第四侧面P4、第五侧面P5和第六侧面P6，第一侧面P1为第一TIR棱镜021的入光面，与该n片镜片的出光面相对，第二侧面P2与DMD20的光阀面相对且平行，第三侧面P3与第二TIR棱镜的第四侧面P4存在间隙，且间隙为5～8um，其中，第四侧面P4的面积小于第三侧面P3的面积，第五侧面P5分别与镜头的入光面平行，也与DMD20的光阀面平行。其中，第二侧面P2和第三侧面P3的夹角为a1，第一侧面P1和第三侧面P3的夹角为a2，a1和a2是根据DMD光阀的入光角度设计的，也即，a1和a2与上述预设入光角度相关。实际应用中，角度a2＜32.64°即可。例如，可以为30°。

如图6所示，图6中粗实线围成的区域表示该光机照明系统的光束走向(需要说明的是，图6中是光源的出射光的光路走向，不是入射到镜头中的光路走向)，图6中TIR棱镜021还用于在将第二平行光束G1发射至DMD20的光阀面后，接收光阀面反射的第三平行光束G2，并将第三平行光束G2反射至DLP投影机的镜头(图6未画出)。在实际应用中，由于DMD对入光角度的要求，从匀化装置出射的具有一定发散角度的光束需要通过空间的传输(比如转折等)才能到达DMD，如图6所示，该光机照明系统还可以包括：空间反射镜03，该空间反射镜03位于前段子系统01和后段子系统02之间；空间反射镜03用于将汇聚光反射至后段子系统02，使前段子系统01和后段子系统02的光路转折。由于空间反射镜能够实现前段子系统和后段子系统的光路转折，可以简化光机照明系统结构，且减少占用空间。

进一步的，如图6所示，TIR棱镜021(如图5中第三侧面P3、第四侧面P4和第六侧面P6)上涂覆有消光漆F，吸收off光，并减少杂散光的射入，具体的，图7是本发明实施例提供的TIR棱镜上涂覆有消光漆的结构示意图，如图7所示，TIR棱镜021除与n片镜片相邻面、与DMD20的光阀面相邻面和与镜头相邻面上均涂覆有消光漆，其中，图7中TIR棱镜021上的斜线表示消光漆；和/或，TIR棱镜021用于出射第三平行光束G2的出光面(也即该光机照明系统的出光面，如图5中的第五侧面P5)上设置有挡光片C，如图8所示，图8为图6中挡光片C的放大结构示意图，挡光片C上设置有通孔，通孔与第三平行光束形成的光斑面积相等(实际应用中可以存在一定的误差)，从而将其他杂散光挡住，避免杂散光进入镜头。这样可以有效提高投影成像的系统对比度。

对于大视场的TIR系统，不同视场的成像质量存在差异，从而导致入射到DMD光阀面的光斑不对称，系统均匀性降低，从而也使得系统工作效率降低，本发明提出采用分视场控制像质的方法进行系统优化设计，同时提出两段式系统设计方案，将前后系统隔离开，分别调整，更有利于实现更佳成像质量，为解决上述问题，结合本发明实施例提供的光机照明系统的两段式设计方案，可以采用分视场控制像质方法来进行系统优化。

具体的，可以先根据像质将光机照明系统划分为成像质量较差的区域和成像质量较好的区域，调整成像较差的区域中的系统参数，如镜片的面型，镜片的间距等，从而减少成像质量较好的区域和成像质量较差的区域的差异程度，使整体像质达到均衡状态，从而提高系统的工作效率及均匀性。并且由于本发明实施例提供的光机照明系统能够进行区域成像质量的调整，提高整体成像质量，从而系统参数具有可调试性，提高了照明系统的容差性。

需要说明的是，划分成像质量较差的区域和成像质量较好的区域可以依据光斑照度图，如图9所示，图9为系统优化更改前的软件模拟的光斑照度图，该光机照明系统的系统优化更改前的状态可以如图9所示，图9反映了光机照明系统的overfill(满溢)状态，其中，overfill状态是指为了避免图像具有暗带，照射到DMD的光阀面上的光斑面积稍大于DMD的光阀的尺寸，使得DMD上的照射处于满盈状态。图9中的光斑照度图呈矩形框状，其右半部分明显较左半部分大，说明在DMD上的成像存在模糊和变形。因此，可以将图9中右半部分对应的光机照明系统的区域确定为成像质量较差的区域，将图9中左半部分对应的光机照明系统的区域确定为成像质量较好的区域。

如图10所示，图10为系统优化更改后的软件模拟的光斑照度图，图10反映了光机照明系统的overfill(满溢)状态，图10中的光斑照度图呈矩形框状，该矩形框比较规整，说明在DMD上的成像质量一致性较佳。进一步的，如图11所示，图11为系统优化更改后的光机照明系统的均匀性示意图，图10表示DMD光阀面上的光照度分布，曲线V表示图10的十字线中的竖线的照度浮动情况，曲线H表示图10中的十字线中的横线的照度浮动情况，由图11可以看出，曲线V和曲线H的波动均较小，说明相应的系统优化更改后的光机照明系统的能量均匀性较好。

实际应用中，前段子系统和后段子系统中的系统参数可以适应性修改，本发明实施例中以以下两个方面为例进行说明：

第一方面，如图2所示，该光机照明系统，可以包括4片球面镜片，分别为C1、C2、C3和C4，该4片球面镜片从靠近出光面到远离出光面(图2中从左到右)的方向依次排布，镜片的焦距分别为58.084mm、37.798mm、91.398mm、86.046mm，C1到C2的镜间距为9mm、C2到C3的镜间距为65mm、C3到C4的镜间距为2mm。前段子系统01的焦距f1为22.1mm，后段子系统02的焦距f2为44.19mm，前段子系统01和后段子系统02满足：fl*tan(b1)＝f2*tan(b2)，其中b1为光机照明系统的入射光角度(也即是前段子系统01的入射光角度)，b2为该光机照明系统的出射光角度(也即是后段子系统02的出射光角度)。

相应的，配合DMD的入光方式，TIR棱镜021如图5所示，其角度a1和a2分别可为51.63°和30°，实际应用中，角度a2＜32.64°即可。此时，该光机照明系统中，其他系统参数可以如表1所示，其中每个镜片存在两个球面，以镜片C1为例，其两个球面的半径分别为-16.26mm和-15.48mm，镜片C1的厚度为11mm，镜片C1与镜片C2的间距为9mm，两个球面的半口径均为11.5mm。

以镜片C4为例，其两个球面的半径分别为43.09mm和109.42mm，镜片C4的厚度为9.84mm，镜片C4与棱镜的间距为9.5mm，两个球面的半口径均为20.1mm。

表1

第二方面，如图4所示，该光机照明系统，可以包括3片镜片，分别为C5、C6和C7，该3片镜片从靠近出光面到远离出光面(图2中从左到右)的方向依次排布，分别为2片球面1片非球面，镜片的焦距分别为41.61mm、52.04mm和48.35mm，C5到C6的镜间距为5mm，C6到C7的镜间距为65.09mm。

相应的，配合DMD的入光方式，TIR棱镜021如图5所示，其角度a1和a2分别可为51.63°和30°。

此时，该光机照明系统中，其他系统参数可以如表2所示，其中每个镜片存在两个球面，以镜片C7为例，其两个镜面的半径分别为47.16mm和-49.2mm，镜片C7的厚度为15mm，镜片C7与棱镜的间距为20mm，两个球面的半口均为21.5mm，非球面的系数为-7。

表2

需要说明的是，本发明实施例提供的光机照明系统，由于前段子系统和后段子系统之间传输的是平行光束，两个子系统相对独立，可根据前后子系统各自的需求，分别设计其内部结构，而两个子系统相互之间受到的影响较小，在实际应用中，每个子系统中的系统参数，如镜片的个数，镜片的面型，镜片的间距等可以根据具体情况调节，例如，前段子系统包括2片球面镜，后段子系统包括2片球面镜；或者，前段子系统包括2片球面镜，后段子系统包括1片非球面镜。只要保证前段子系统和后段子系统之间传输的是平行光束，就可以依据实际情况来调整光机照明系统中的系统参数，从而增大该光机照明系统的扩展空间。通过分别设计两个子系统，可以便于实现最佳匹配，对于光机照明系统的公差(如各种镜片加工、组装累计公差)便于通过两段式系统架构的分别调试来实现误差的消除，也可以通过在每段中进行增减镜片数量来调节光机照明系统的整体容差能力，从而提高该光机照明系统容差性，整体来说，该光机照明系统结构的简洁。并且前段子系统和后段子系统的光焦度范围(焦距的倒数)，均可根据系统需求确定，无限制，其中，光焦度是表征光学系统偏折光线的能力。

在光机照明系统中，F#是一种反映系统收光或集光能力的参数，F#＝f/d，其中，f为焦距，d为入射光瞳(光瞳又叫孔径光阑的像)的直径，d为相对孔径的倒数。F#的数值越小，说明系统收光或集光能力越强。

通常的，F#的数值越小，光机照明系统的设计难度越大，这是因为，光学设计难度与光学扩展量无直接关系，光学扩展量的公式为E＝PI*A/4*F#^2，其中，PI为π，A为面积。系统F#小，较大的入射角度范围容许更多的边缘光线入射到DMD的光阀面，边缘光线造成的像差较大，对成像质量的控制要求增大，整体系统设计难度增大。小F#的系统，需要通过调整系统初始架构，镜片的面型，如R值(也称曲率半径值)，镜间距等光学参数，综合设计，使成像质量满足系统要求。

可选的，上述预设入光角度指的是光机照明系统的主光轴与成像光路的主光轴具有的偏转角度为34度。该偏转角度是DMD的光阀面可旋转角度的2倍。因此，本发明实施例中，DMD的光阀面的旋转角度(也称最大旋转角度)可以为17度，即为DMD的光阀面发生正17度或负17度的旋转。相对于DMD转角为12°的系统，旋转角度为17°的DMD具有更大的入射角度范围，从而可以实现更小的F#，从而也对照明系统的设计提出更高的要求。本发明提出两段式系统架构设计，前段子系统和后段子系统之间传输的是平行光束，可根据前后子系统需求，分别设计其内部结构，而两个子系统相互之间受到的影响较小，减小了该光机照明系统的设计难度，同时又使光机照明系统有较大的容差能力。进一步的，由于本发明实施例中，DMD的光阀面的旋转角度为17度，可以兼容12度，因此，也支持转角为12度的DMD的入光要求。

需要说明的是，上述DMD的光阀面的旋转角度为17度只是示意性说明，实际应用中，本发明实施例中的光机照明系统，旨在使出射光符合不同的DMD入射要求，使得整个光机照明系统具有可调性和兼容性，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

综上所述，本发明实施例提供的光机照明系统，由于采用远心系统架构，且为两段式系统架构设计，前段子系统和后段子系统之间传输的是平行光束，因此，可根据前后段子系统需求，分别设计其内部结构，而两个子系统相互之间受到的影响较小，从而提高该光机照明系统容差性，增大扩展空间。并且可实现DMD长边入射，入射角度为17°，符合DMD的入射角度要求，系统的整体F#小，集光能力强，尤其可以为4k高分辨率投影系统提供高效、高匀光性、高对比度的光机照明系统。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光机照明系统，其特征在于，所述光机照明系统为远心光学系统，所述光机照明系统包括：

前段子系统和后段子系统，所述前段子系统用于将光源发射的第一平行光束汇聚到所述后段子系统的物方焦平面上，所述后段子系统用于将汇聚后的光束转化为第二平行光束，并将所述第二平行光束按照预设入光角度发射至DMD的光阀面；

其中，所述前段子系统和所述后段子系统之间传输的是平行光束。

2.根据权利要求1所述的光机照明系统，其特征在于，所述前段子系统包括m片镜片，0＜ m≤2。

3.根据权利要求2所述的光机照明系统，其特征在于，

所述前段子系统包括2片镜片，所述2片镜片均为球面镜。

4.根据权利要求1至3任一所述的光机照明系统，其特征在于，所述后段子系统包括n片镜片，0＜ n≤2。

5.根据权利要求4所述的光机照明系统，其特征在于，

所述后段子系统包括2片镜片，所述2片镜片均为非球面镜或者所述2片镜片均为球面镜。

6.根据权利要求4所述的光机照明系统，其特征在于，

所述后段子系统包括1片镜片，所述1片镜片为非球面镜。

7.根据权利要求4所述的光机照明系统，其特征在于，所述后段子系统还包括：全内反射TIR棱镜，

所述n片镜片用于将所述前段子系统发射的汇聚光束进行处理得到第二平行光束，并将所述第二平行光束发射至所述TIR棱镜上，由所述TIR棱镜将所述第二平行光束发射至所述DMD的光阀面。

8.根据权利要求7所述的光机照明系统，其特征在于，所述TIR棱镜由两个三角棱镜组成，TIR棱镜还用于在将所述第二平行光束发射至所述DMD的光阀面后，接收所述DMD的光阀面反射的第三平行光束，并将所述第三平行光束反射至DLP投影机的镜头。

9.根据权利要求8所述的光机照明系统，其特征在于，所述TIR棱镜上除与所述n片镜片相邻的面、与所述DMD的光阀面相邻的面和与所述镜头相邻的面之外的3个外表面上均涂覆有消光漆；和/或，所述TIR棱镜用于出射所述第三平行光束的出光面上设置有挡光片，所述挡光片上设置有通孔，所述通孔与所述第三平行光束形成的光斑面积相等。

10.根据权利要求1所述的光机照明系统，其特征在于，所述预设入光角度为：所述光机照明系统的主光轴与成像光路的主光轴具有的偏转角度为34度。