CN106468792B - 光学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学装置，其包含图像源和光学组件。所述图像源经配置以提供图像光束。所述光学组件设置在所述图像光束的路径上。所述光学组件所呈现出的温度变化小于25℃，且由所述图像光束形成的图像因所述温度变化而引起的失真小于25个像素。因此，本发明具有高光学质量和高可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学装置。
背景技术
在一般光学装置中，光学组件用于影响光。举例来说，光学组件可用于反射光、折射光、衍射光、形成光干涉、漫射光、对光进行滤光、使光偏振、透射光、阻挡光等。一些光学组件由光学塑料制成。通常，光学塑料具有低热导率和高线性热膨胀系数。因此，当由光学塑料制成的光学组件缩小以符合光学装置的缩小时，照射在光学组件上的光能量的密度提高，以致于光学组件吸收较多光能量，其温度因此提高得较多，且其变形增大得较多。当光学组件变形时，光学组件的光学质量降低。
另一方面，当照射在光学组件的不同部分上的光能量的密度不同时，光学组件的温度分布不均匀，且热导率越低，光学组件的温度分布越不均匀。因此，光学组件的变形不均匀或对称，如此大幅降低了光学组件的光学质量。
此外，当光学组件用于具有大温度变化(例如，从25℃到40℃)的环境中时，不同温度下的光学组件的变形不同，以至于光学装置的可靠性降低。
发明内容
本发明是针对一种光学装置，其具有高光学质量和高可靠性。
根据本发明的实施例，提供一种光学装置，其包括图像源及光学组件。图像源经配置以提供图像光束。光学组件设置在图像光束的路径上。光学组件的材料包括有机无机复合材料，有机无机复合材料包括有机基材及掺杂于有机基材中的无机添加材。
在根据本发明的实施例的光学装置中，因为光学组件的材料包括有机无机复合材料，其中有机无机复合材料包括有机基材及掺杂于有机基材中的无机添加材，因此光学组件较为耐热，因而可使光学装置具有高光学质量和高可靠性。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1为根据本发明的实施例的光学装置的示意图；
图2为图1中的光学组件的示意性前视图；
图3为图1与图2中的光学组件受到图像光束的照射后所形成的光斑模拟图；
图4为图1与图2中的光学组件受到图像光束的照射后的温度分布图；
图5展示关于沿着图2所示的方向L1、L2和L3的位置的采用各种材料的衬底的热变形的曲线；
图6展示图1中的屏幕上的图像中的位置P0到P5；
图7为根据本发明的另一实施例的光学装置的示意图。
附图标号说明
50：屏幕；
60：眼睛；
70：虚像；
100、100a：光学装置；
110、110a：图像源；
112：照明系统；
113：照明光束；
114：光阀；
115：图像光束；
120、120a、120b、120c、120d：光学组件；
122：衬底；
124：反射层；
130：投影透镜；
140：冷却系统；
142：热空气；
1222、1224、1226：固定部分；
1228：表面；
A：光轴；
L1、L2、L3：方向；
P0～P5：位置。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
图1为根据本发明的实施例的光学装置的示意图，且图2为图1中的光学组件的示意性前视图。参看图1和图2，这个实施例中的光学装置100包含图像源110和光学组件120。图像源110经配置以提供图像光束115。在这个实施例中，图像源110包含照明系统112和光阀114。照明系统112经配置以提供照明光束113。光阀114设置在照明光束113的路径上，且经配置以将照明光束113转换为图像光束115。光阀114例如为数字微镜装置(digitalmicro-mirror device,DMD)、液晶覆硅(liquid-crystal-on-silicon,LCOS)面板、透射式液晶面板或任何其它适当空间光调制器。
光学组件120设置在图像光束115的路径上。在这个实施例中，光学组件120为反射器。然而，在其它实施例中，光学组件120可为透镜、光学膜或任何其它适当光学元件。在这个实施例中，光学组件120包含衬底122和反射层124，其中反射层124设置在衬底122上且经配置以反射图像光束115。在这个实施例中，衬底122具有表面1228，其中反射层124形成在表面1228上。表面1228可为轴对称曲面或非轴对称曲面表面；也就是说，光学组件120为轴对称曲面或非轴对称曲面反射器。
在这个实施例中，光学装置100还包含投影透镜130，其设置在图像源110与光学组件120之间的图像光束115的路径上。投影透镜130和光学组件120将图像光束115从光阀114投影到屏幕50上，以在屏幕50上形成图像。
在本实施例中，光学组件120所呈现出的温度变化(即光学组件120上不同位置的温度变化)小于25℃，且由图像光束115在屏幕50上形成的图像因上述温度变化而引起的失真小于25个像素。在一实施例中，照射在光学组件120上的图像光束115的光通量大于200流明(lm)，且光学组件120所呈现出的温度变化小于15℃，且由图像光束115形成的图像因上述温度变化而引起的失真小于15个像素。
衬底122的材料可包括塑料。在这个实施例中，衬底122的线性热膨胀系数小于8.5ppm/℃。因此，光学组件120的热变形有效地减小。此外，在这个实施例中，衬底的热导系数大于0.3瓦/(米·开尔文)，例如，衬底的热导系数的范围为0.7瓦/(米·开尔文)到3.3瓦/(米·开尔文)，以使得光学组件120的温度分布较均匀。换句话说，在这个实施例中，衬底122的材料并非光学塑料，且具有较低线性热膨胀系数和较高热导系数。举例来说，光学组件的材料例如为有机基材及无机添加材构成的有机无机复合材料。有机无机复合材料可以是由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料所组合成的材料。其中，有机基材可从包括聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(热塑型材料)、环氧树酯(热固型材料)、聚苯硫醚、环烯烃聚合物、环烯烃共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、液晶聚合物、聚醚醚酮、尼龙或其组合选择，而无机添加材可从包括矿物纤维、玻璃纤维、碳纤维、奈米碳管、石墨烯、钻石、碳化硅、氧化铝、氮化硼、氮化铝或其组合选择。
在本实施例中，表面1228的表面粗糙度Ra可小于20纳米(nanometer,nm)，其中表面粗糙度小于10nm投影质量更佳；因一般有机无机复合材料在射出成型制程中容易有浮纤的问题，其有机基材与无机添加材因黏度不同的关系，容易在充填过程中产生相分离，导致表面粗糙度无法达到镜面的要求，故除一般射出制程外，射出制程中导入使用特别的温控技术，利用变模温系统来抑止浮纤，以达到表面镜面的效果，例如表面粗糙度Ra<15nm。
在根据这个实施例的光学装置100中，因为光学组件所呈现出的温度变化小于25℃，且因为由图像光束形成的图像因上述温度变化而引起的失真小于25个像素，所以光学组件120的热变形较小且较均匀。因此，屏幕50上的图像的失真较小，且光学装置100因此具有高光学质量和高可靠性。即使光学组件120较小，但光学组件的温度分布仍足够均匀，光学组件120的热变形仍足够小，且光学装置100仍具有高光学质量和高可靠性。在一实施例中，光学组件120的反射表面的面积小于或等于30000平方毫米。在这个实施例中，光轴A也是投影透镜130的光轴，且z方向平行于光轴A。此外，x方向和y方向垂直于z方向且相互垂直，x方向例如为图像和光学组件120的水平方向，且y方向例如为图像和光学组件120的垂直方向。
在这个实施例中，沿着平行于图像源110的光轴A的方向的衬底122的厚度的范围为2毫米到20毫米，以使得光学组件120的热变形较小且均匀。此外，沿着平行于光轴A的方向(即，z方向)的表面1228的热变形可小于200微米。
在这个实施例中，光学装置100包含冷却系统140，以降低光学装置100的温度。举例来说，冷却系统140包含排气风扇，其经配置以排出光学装置100内的热空气142。在一实施例中，冷却系统140可降低光学组件120的温度。在一些其它实施例中，冷却系统140可还包含连接到光学组件120的散热片以及用于冷却散热片的冷却风扇或金属机壳。
此外，在这个实施例中，光学装置100还包含固定部分1222、1224、1226以将衬底122固定在光学装置100的外壳上。固定部分1222位于光学组件120的底部，且固定部分1224和1226位于光学组件120的两侧。接近固定部分1222的光学组件120的区域反射图像光束115的近场光线，且远离固定部分1222的光学组件120的区域反射图像光束115的远场光线。
下表1展示光学塑料和光学组件120的衬底122的材料的系数和条件。
表1
参看表1，衬底122的材料可为材料1(即，MEP TJ13591)、材料2(MEP GPN2020DF)、材料3(帝人(Teijin)D-5025B)、材料4(DIC FZ-8600)或材料5，其具有相对于两种光学塑料(即，瑞翁(Zeon)1430R或瑞翁F52R)而言较小的热膨胀系数。此外，材料1具有相对于两种光学塑料而言较大的热导系数。
表2展示采用光学塑料瑞翁1430R的衬底和采用MEP TJ13591的衬底122所呈现出的最大温度和最小温度。
表2
参看表2，采用MEP TJ13591的衬底122具有比采用光学塑料瑞翁1430R的衬底的温差(约14.5℃)小的温差(约3.6℃)。
图3为图1与图2中的光学组件受到图像光束的照射后所形成的光斑模拟图。在图3中，从区域1到区域2再到区域3表示光能量由多到少。
图4为图1与图2中的光学组件受到图像光束的照射后的温度分布图。从图4中的O点至B点至C点至D点至E点再至F点代表温度由高到低，其中O点温度约为35℃，B点温度约为33.5℃，C点温度约为32℃，D点温度约为30℃，E点温度约为28℃，而F点温度约为24℃。
通过图3、图4、材料特性及工业上通常使用的热流分析软体，可得到如表二的温度值结果。
表3展示z方向上的采用光学塑料瑞翁1430R的衬底和采用MEP TJ13591的衬底122的所有位置中的最大变形和最小变形。
表3
参看表3，MEP TJ13591的变形较小且较均匀。
通过表2、材料特性及工业上通常使用的结构分析软体，可得到表3的结果。
图5展示关于沿着图2所示的方向L1、L2和L3的位置的采用各种材料的衬底的热变形的曲线。举例来说，参看图2和图5，曲线TJ1359-L2展示沿着图2中的方向L2的位置处的采用MEP TJ13591的衬底122的热变形分布。图5展示采用MEP TJ13591的衬底122在所有方向L1到L3上具有相对于采用瑞翁1430R的衬底而言较小的变形。此外，采用MEP TJ13591的衬底122的热变形较均匀，这是因为其曲线具有较小的斜率绝对值。
图6展示图1中的屏幕上的图像中的位置P0到P5，且下表4展示当图1中的衬底采用瑞翁1430R、MEP TJ13591和帝人D-5025B时图1中的屏幕上的图像偏移。
表4
举例来说，参看图1和图6以及表4，表4展示当衬底122采用MEP TJ13591时，位置P2沿着y方向具有-2.84个像素的偏移(或图像失真)。在图6中，位置P0和P3分别为图像的底部长边和顶部长边的中点，且位置P4为位置P0和P3的中点。表4展示对应于光学塑料瑞翁1430R的最大偏移的绝对值(即，13.84个像素)大于对应于MEP TJ13591的最大偏移的绝对值(2.84个像素)且大于对应于帝人D-5025B的最大偏移的绝对值(1.98个像素)。也就是说，在本发明的实施例中，采用MEP TJ13591(2.84个像素)或帝人D-5025B(1.98个像素)作为衬底122的材料的光学装置100具有较好的图像质量。
图7为根据本发明的另一实施例的光学装置的示意图。参看图7，这个实施例中的光学装置100a类似于图1中的光学装置100，且两者之间的主要差异如下。图1中的光学装置100为投影仪，包括投射比(throw ratio,TR)<0.4的超短焦投影仪，TR介於0.4和1之間的短焦投影仪或TR>1的一般投影仪。然而，在这个实施例中，光学装置100a为虚像显示器，例如，平视显示器(head-up display,HUD)或头戴式显示器(head-mounted display,HMD)。在这个实施例中，来自图像源110a的图像光束115被光学组件120a(或120b)和光学组件120c(或120d)依序反射，且接着传递到用户的眼睛60。光学组件120a、120b、120c和120d满足光学装置100的前述耐热设计(即满足前述各参数条件及冷却系统140等的耐热设计的至少其中之一)。举例来说，光学组件120a、120b、120c和120d满足光学装置100的前述条件的至少一部分。光学组件120a、120b、120c和120d可为反射镜、半透反射器、漫反射器或其任何组合，其中半透反射器允许光的一部分穿过且反射光的另一部分。举例来说，光学组件120a可为漫反射器，且光学组件120c(或120d)可为半透反射器，且虚像70形成在与用户的眼睛60相对的光学组件120c(或120d)的一侧上。光学组件120a和120c可为平面反射器，且光学组件120b和120d可为凹面反射器。
在其他实施例中，光学组件120a、120b、120c和120d亦可以是穿透式光学组件，例如为适于让光穿透的光学透镜，而其材质可以是上述光学组件所采用的有机无机复合材料，在此不再重述。
光学装置100a可采用光学组件120a和120c，或采用光学组件120b和120d，或采用光学组件120a和120d或采用光学组件120b和120c，但本发明不限于此。在一些其它实施例中，光学组件120a到120d中的至少一部分可为凸面反射器。或者，在一些其它实施例中，来自光学组件120c(或120d)的图像光束115可投影到屏幕上以便在屏幕上形成实像；也就是说，光学装置100a可修改为具有类似于光学组件120a到120d的多个光学组件的投影仪。
表5
表5展示当衬底采用MEP TJ13591时，因添加材关系造成表面粗糙度相对于D5025B或FZ-8600较大。以屏幕投影出网格线比较，可看出采用D5025B和FZ-8600做为衬底可改善表面粗糙度，进而可降低屏幕上像素偏差(表5中网格线偏差像素数据非实际量测值，为观察屏幕投影结果根据过去经验推测而得)。另外，因添加材与塑料黏度特性不同，造成射出成型后添加物影响衬底表面粗糙度，进而影响投影质量，此问题可透过变模温技术，在射出过程模具温度快速变化调整，使衬底具有较佳表面质量。变模温技术为一习知且成熟技术，主要作用成型过程使添加材不易浮现在表面，故可改善表面粗糙度。表5中D5025B采用变模温技术根据经验推测可有效降低表面粗糙度，使表面粗糙度Ra<10nm。表面粗糙度影响光学投影亮度，且与反射层124反射率相关，为维持光学投影质量，反射层124反射率可至少达90％以上，其中反射率达96％以上更佳。
在根据本发明的实施例的光学装置中，因为光学组件所呈现出的温度变化小于25℃，且由图像光束形成的图像因上述温度变化而引起的失真小于25个像素，所以光学装置具有高光学质量和高可靠性。在根据本发明的实施例的光学装置中，因为光学组件的材料包括有机无机复合材料，其中有机无机复合材料包括有机基材及掺杂于有机基材中的无机添加材，因此光学组件较为耐热，因而可使光学装置具有高光学质量和高可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种光学装置，其特征在于，包括：
图像源，经配置以提供图像光束；以及
光学组件，设置在所述图像光束的路径上，所述光学组件的材料包括有机无机复合材料，所述有机无机复合材料包括有机基材及掺杂于所述有机基材中的无机添加材，所述光学组件包括：
衬底，所述衬底的材料为所述有机无机复合材料；以及
反射层，设置在所述衬底上且经配置以反射所述图像光束。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述有机基材为从下面族群挑选包括聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树酯、聚苯硫醚、环烯烃聚合物、环烯烃共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、液晶聚合物、聚醚醚酮、尼龙或其组合，且所述无机添加材为从下面族群挑选包括矿物纤维、玻璃纤维、碳纤维、奈米碳管、石墨烯、钻石、碳化硅、氧化铝、氮化硼、氮化铝或其组合。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述衬底具有形成所述反射层的表面，且所述表面的表面粗糙度Ra小于20纳米。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述反射层的反射率大于或等于90％。
5.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述衬底的线性热膨胀系数小于60ppm/℃，或所述衬底的热导系数大于0.3瓦/(米·开尔文)。
6.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，沿着平行于所述图像源的光轴的方向的所述衬底的厚度的范围为2毫米到20毫米。
7.根据权利要求1、3-6中任一项所述的光学装置，其特征在于，所述衬底具有轴对称曲面或非轴对称曲面，且所述反射层形成在所述轴对称曲面或非轴对称曲面表面上。
8.根据权利要求1、3-6中任一项所述的光学装置，其特征在于，所述衬底具有形成所述反射层的表面，且沿着平行于所述图像源的光轴的方向的所述表面的热变形小于200微米。
9.根据权利要求1、3-6中任一项所述的光学装置，其特征在于，所述光学组件的反射表面的面积小于或等于30000平方毫米。
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