CN106292146A - 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：空间反射镜、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所述物方焦平面上的汇聚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；所述空间反射镜位于所述前段子系统和所述后段子系统之间，用于转折所述前段子系统和所述后段子系统之间的光路。本发明易于实现DMD光阀对光束的入射要求，同时压缩了光机照明系统光路体积，本发明可以简化光机照明系统结构，且减少占用空间。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。由于光机照明系统是一个比较精密的光学系统，需要较多镜片高精度的配合来实现，会造成整个光机照明系统光路较长，因而光机照明系统的体积较大且不易调试，无法满足DMD苛刻的入射要求。

发明内容

为了解决现有技术光机照明系统的体积较大且不易调试，无法满足DMD苛刻的入射要求的问题，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：

空间反射镜、前段子系统和后段子系统；

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焦平面上，所述后段子系统用于将所述焦平面上的汇聚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；

所述空间反射镜位于所述前段子系统和所述后段子系统之间，用于转折所述前段子系统和所述后段子系统之间的光路。

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，由于该体系采用远心系统架构，包括前段子系统、后段子系统和空间反射镜，前段子系统和后段子系统之间传输的是平行光束，空间反射镜设置于前后段子系统之间，将光束进行转折，从而改变光束进入后段子系统的传输角度和方向，易于实现DMD光阀对光束的入射要求，同时压缩了光机照明系统光路体积。

以及，根据上述的前后两段式架构，可根据前后子系统需求，分别设计其简单的内部结构，而两个子系统相互之间受到的影响较小，容差性和可扩展性强。

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另一种光机照明系统的结构示意图。

图4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再一种光机照明系统的结构示意图。

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、后段子系统02和空间反射镜03。

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用于将物方焦平面上的汇聚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DMD的光阀面。

空间反射镜03位于前段子系统01和后段子系统02之间，用于转折前段子系统01和后段子系统02之间的光路。

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通过空间反射镜的转折，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。

可选的，从光阀面反射的光束可以正投于DLP投影机的镜头，也即是光束的入射方向与镜头的入光面垂直，这样可以避免光能散失。

综上所述，本发明实施例提供的光机照明系统，由于该体系采用远心系统架构，包括前段子系统、后段子系统和空间反射镜，前段子系统和后段子系统之间传输的是平行光束，空间反射镜设置于前后段子系统之间，将光束进行转折，从而改变光束进入后段子系统的传输角度和方向，易于实现DMD光阀对光束的入射要求，同时压缩了光机照明系统光路体积。

以及，根据上述的前后两段式架构，可根据前后子系统需求，分别设计其简单的内部结构，而两个子系统相互之间受到的影响较小，容差性和可扩展性强。

进一步的，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，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。

实际应用中，如图2所示，光机照明系统还可以包括：匀化装置04，该匀化装置04可以为光导管或光棒，图2中以光导管为例进行说明，匀化装置04位于光源与前段子系统01之间，用于将光源发射的光束匀化后得到匀化光束，并将匀化光束发射至前段子系统01。通常，光源为激光光源，发射的是平行光束，该平行光束经过匀化装置，出射的是具有发散角度的光束。

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。

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作限定，其中，光焦度用于表征光学系统偏折光线的能力。

本发明实施例中，空间反射镜的个数和/或位置会影响光路的长短，从而影响光机照明系统的体积，空间反射镜的个数和/或位置可以根据光机照明系统的具体情况设置，在实现相同的光束传输效果时，相较于未设置空间反射镜的光机照明系统，本发明实施例中提供的光机照明系统由于光路进行了空间折叠压缩，可以改变光束进入后段子系统的传输角度和方向，易于实现DMD光阀对光束的入射要求，同时压缩了光机照明系统光路体积。在本发明实施例提供的第一种可实现方式中，匀化装置的长度方向平行于DMD20的基片的长度方向，空间反射镜03包括第一反射镜M1和第二反射镜M2。两片反射镜一方面可以压缩空间光路体积，另一方面能够转折光线方向，使其符合DMD的入射要求。

示例的，如图2所示，图2中建立了预设坐标系，在该预设坐标系中，光线从匀化装置出射的方向(也即光束传播方向)为Z轴，位于垂直Z轴的平面内，且分别垂直的两个轴为X轴和Y轴。则光导管的长度方向平行于DMD20的基片的长度方向，且，均平行于Z轴方向。该光导管的长度方向平行于DMD20的基片的长度方向的设置方式称为DMD长边入射，DMD的长边入射，设计较为简单，能够减少光机照明系统的复杂程度，减少光机照明系统的体积。

这样一来，使用两片反射镜，并配合匀化装置的定位方向，实现DMD长边入射，符合其入射角度要求，使得该光机照明系统满足：长边入射、正投、紧凑的空间排布。

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

可选的，后段子系统可以包括n片镜片，0＜n≤2；例如，后段子系统包括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，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可以根据具体情况进行调整，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。

实际应用中，空间反射镜03的位置和角度可以根据具体场景进行调整，例如，在图2所示的预设坐标系中，第一反射镜M1与X轴的夹角为45度，第二反射镜M2与Y轴的夹角为-40.815度。

示例的，如图3所示，前段子系统中的m片镜片包括第一镜片M3和第二镜片M4，后段子系统的n片镜片包括第三镜片M5。第一镜片M3、第二镜片M4、第一反射镜M1、第二反射镜M2和第三镜片M5在匀化装置与DLP投影机的镜头之间依次排布。其中，第一镜片M3、第二镜片M4均为球面镜，第三镜片M5为非球面镜。

其中，第一反射镜M1与第二镜片M4的距离为15mm，第一反射镜与第二反射镜的距离为30mm，第二反射镜M2与第三镜片M5的距离为20mm。在本发明实施例中，上述距离只是示意性说明，实际应用中，镜片间的距离可以根据系统的具体设计进行调整，本发明实施例对此不作限定。

如图4所示，图4中，前段子系统和后段子系统的架构可以参考图3，后段子系统还包括：全内反射(英文：Total Internal Reflection；简称：TIR)棱镜021，后段子系统的n片镜片还可以包括第六镜片M6，其中，n片镜片用于前段子系统发射的汇聚光束进行汇聚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°，该入射在DMD光阀面的主光线的角度可以为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02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)。

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，吸收出射光，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(即图5中的第一侧面P1)、与DMD20的光阀面相邻面(即图5中的第二侧面P2)和与镜头相邻面(即图5中的第五侧面P5)的外表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。

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，需要说明的是，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。也即为相对于DMD旋转角为12°的系统，旋转角度为17°的DMD可以实现更小的F#，从而也对光机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，同时又使该光机照明系统具有较大的容差能力。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，本发明实施例中的空间发射镜应用于光机照明系统，旨在转折光路，以配合该光机照明系统中的其他结构，使该出射光符合不同的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。

在上述第一种可实现方式中，空间反射镜包括两面反射镜，该两面反射镜可以将从前段子系统出射的平行光转折后发射至后段子系统，使得后段子系统的出射光满足DMD对光束的入射要求。

在本发明实施例提供的第二种可实现方式中，匀化装置的长度方向平行于DMD20的基片的长度方向，空间反射镜包括第三反射镜M3。

示例的，如图9所示，图9中建立了预设坐标系，在该预设坐标系中，光线从匀化装置出射的方向(也即光束传播方向)为Z轴，位于垂直Z轴的平面内，且分别垂直的两个轴为X轴和Y轴。其中，第三反射镜M3与X轴的夹角为45度，该光机照明系统的其余结构可以参考与图2所示的结构，本发明实施例对此不作赘述。

在本发明实施例提供的第二种可实现方式中，空间反射镜通过一块反射镜来实现反射，该光机照明系统中其他结构的工作原理和工作过程可以参考上述第一种可实现方式，本发明实施例对此不作赘述。

在上述第二种可实现方式中，空间反射镜包括一面反射镜，该一面反射镜可以将从前段子系统出射的平行光转折后发射至后段子系统。使得后段子系统的出射光满足DMD对光束的入射要求。

综上所述，本发明实施例提供的光机照明系统，由于该体系采用远心系统架构，包括前段子系统、后段子系统和空间反射镜，前段子系统和后段子系统之间传输的是平行光束，空间反射镜设置于前后段子系统之间，将光束进行转折，从而改变光束进入后段子系统的传输角度和方向，易于实现DMD光阀对光束的入射要求，同时压缩了光机照明系统光路体积，也即是，空间反射镜的角度设置，实现了对光束的转折，影响了光阀的入射角度，满足DMD入射方式要求。以及，根据上述的前后两段式架构，可根据前后子系统需求，分别设计其简单的内部结构，而两个子系统相互之间受到的影响较小，容差性和可扩展性强。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。

以上所述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，所述光机照明系统包括：

空间反射镜、前段子系统和后段子系统；

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所述物方焦平面上的汇聚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；

所述空间反射镜位于所述前段子系统和所述后段子系统之间，用于转折所述前段子系统和所述后段子系统之间的光路。

2.根据权利要求1所述的光机照明系统，其特征在于，光机照明系统还包括：匀化装置，所述匀化装置为光导管或光棒，所述匀化装置位于所述光源与所述前段子系统之间，用于将所述光源发射的光束匀化后得到匀化光束，并将所述匀化光束发射至所述前段子系统；

所述匀化装置的长度方向平行于所述DMD的基片的长度方向。

3.根据权利要求2所述的光机照明系统，其特征在于，在预设坐标系中，光线从所述匀化装置出射的方向为Z轴，位于垂直所述Z轴的平面内，且分别垂直的两个轴为X轴和Y轴；

所述空间反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜与所述X轴的夹角为45度，所述第二反射镜与所述Y轴的夹角为25～60度；

或者，所述空间反射镜包括第三反射镜，第三反射镜与X轴夹角45度。

4.根据权利要求3所述的光机照明系统，其特征在于，所述前段子系统包括第一镜片和第二镜片，所述后段子系统包括第三镜片；

所述第一镜片、所述第二镜片、所述空间反射镜和所述第三镜片在所述匀化装置与所述DLP投影机的镜头之间依次排布；

或者，所述前段子系统包括第一镜片和第二镜片，所述后段子系统包括第三镜片和第四镜片；

所述第一镜片、所述第二镜片、所述空间反射镜、所述第三镜片和所述第四镜片在所述匀化装置与所述DLP投影机的镜头之间依次排布。

5.根据权利要求4所述的光机照明系统，其特征在于，所述第一镜片、所述第二镜片均为球面镜，所述第三镜片为非球面镜。

6.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，所述后段子系统还包括：1片全内反射TIR棱镜和n片镜片，0＜n≤2；

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汇聚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。

7.根据权利要求6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数字光学处理DLP投影机的镜头。

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棱镜上除与所述n片镜片相邻面、与所述DMD的光阀面相邻面和与所述镜头相邻面的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。

9.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。

10.根据权利要求6所述的光机照明系统，其特征在于，

所述两个三角棱镜包括第一TIR棱镜和第二TIR棱镜，其中，第一TIR棱镜相较于第二TIR棱镜更靠近后段子系统的n片镜片，所述第一TIR棱镜的三个侧面包括第一侧面、第二侧面和第三侧面，所述第一侧面为第一TIR棱镜的入光面，与所述n片镜片的出光面相对，所述第二侧面与所述DMD的光阀面相对且平行，所述第一侧面和所述第三侧面的夹角为a2，a2<32.64°。