CN111176062A - 光场转换装置以及激光显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光显示领域，尤其涉及一种光场转换装置以及激光显示设备，其中，光场转换装置包括第一透镜、第二透镜和场镜，所述第一透镜、所述场镜和所述第二透镜沿光路依次设置，所述光场转换装置的第一焦平面设置于所述第一透镜与所述场镜之间。基于本发明的结构设计，缩短了整个光学系统的总长，在进行空间折叠时，有利于减少空间体积，并有利于整机设计与产品小型化。

Description

光场转换装置以及激光显示设备

技术领域

本发明属于激光显示领域，尤其涉及一种光场转换装置以及激光显示设备。

背景技术

随着激光技术的不断发展，激光显示技术及设备相继进入人们的视野，目前主流的激光显示技术多是以投影显示技术为基础采用激光光源替换常规的LED光源或灯泡，具有高亮度、大色域、长寿命和低功耗等特点。在激光投影技术中会涉及到空间光调制器的激光匀场照明问题，即需保证空间光调制器有效工作区表面光场均匀且照明角度满足要求，为此需要采用光场转换装置来实现。

现有光场转换装置一般采用3-4片透镜、相邻放置的2片反射镜、TIR棱镜的基本组成形式，由于相邻放置的2片反射镜引入导致透镜组之间必须留有足够的空间放置反射镜，这样会增加光场转换装置的体积，不利于产品的小型化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种光场转换装置，其旨在解决空间体积较大的问题。

本发明是这样实现的：

一种光场转换装置，包括第一透镜、第二透镜和场镜，所述第一透镜、所述场镜和所述第二透镜沿光路依次设置，所述光场转换装置的第一焦平面设置于所述第一透镜与所述场镜之间。

可选地，所述场镜为一个双凸非球面透镜，其在光路方向上靠近所述第一透镜一侧的表面为球面，而在光路方向上靠近所述第二透镜一侧的表面为非球面。

可选地，所述第一透镜的厚度为t1，5.3mm<t1<13.9mm；

所述场镜的厚度为t2，5.3mm<t2<13.9mm；

所述第二透镜的厚度为t3，5.3mm<t3<13.9mm。

可选地，所述场镜包括两个在光路上依次设置的球面透镜；

可选地，所述光场转换装置还包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜在光路方向上设置于所述第一透镜与所述场镜之间，所述第一反射镜的发射面用于将经所述第一透镜射出的光线反射至所述场镜，所述第二反射镜在光路方向上设置于所述场镜与所述第二透镜之间，所述第二反射镜的发射面用于将经所述场镜出的光线反射至所述第二透镜。

可选地，所述第一反射镜位于所述第一透镜和所述光场转换装置的第一焦平面之间。

可选地，所述第一透镜的折射率为n1，1.4<n1<1.68；

所述场镜的折射率为n2，1.4<n2<1.68；

所述第二透镜的折射率为n3，1.4<n3<1.68。

可选地，所述光场转换装置还包括积分方棒，光线穿过所述积分方棒后，进入所述第一透镜。

可选地，所述第一透镜为具有正光焦度的球面透镜，且其光焦度为0.03-0.04；

所述第二透镜为具有正光焦度的双凸透镜，其光焦度为0.01-0.02。

本发明还提供一种激光显示设备，其特征在于，包括激光光源、激光消散斑装置、空间光调制器、镜头以及上述的光场转换装置。

由上可知，基于本发明的结构设计，缩短了整个光学系统的总长，在进行空间折叠时，有利于减少空间体积，并有利于整机设计与产品小型化。

此外，由于光学总长的缩短，光学性能也得到有效提升，使得照明到空间光调制器的光场更加均匀。

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是本发明实施例提供的光场装换装置的光路展开示意图；

图2是本发明实施例提供的光场装换装置的一种视角下的立体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的光场装换装置的另一种视角下的立体结构示意图；

图4是本发明实施例提供的光场装换装置的再一种视角下的立体结构示意图。

附图1至4标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	第一透镜	200	场镜
300	第一反射镜	400	第二反射镜
				500	第二透镜	600	TIR棱镜
700	空间光调制器	800	积分方棒

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种光场转换装置。

请参阅图1至图4，该光场转换装置包括第一透镜100、第二透镜500和场镜200。

在此需要说明的是，第一透镜100用于压缩光束的发散角以及对该光束进行场曲矫正和畸变矫正，第二透镜500用于对第一透镜100出生的光束进行场曲矫正以及畸变矫正。

在此还需要说明的是，该光场转换装置在正常使用过程中通常还配合使用有TIR(Total Internal Reflection，全内反射)棱镜，经TIR棱镜600将均匀光场照射到空间光调制器700。

在本发明实施例中，第一透镜100、场镜200和第二透镜500沿光路依次设置，光场转换装置的第一焦平面设置于第一透镜100与场镜200之间。

在此需要说明的是，如场镜200设置于第一透镜100与光场转换装置的第一焦平面之间，场镜200会增加第一透镜100到光场转换装置的第一焦平面的光路路径。

而基于本发明的结构设计，由于场镜200位于光场转换装置的第一焦平面的后面，去除了场镜200对第一透镜100到光场转换装置的第一焦平面的光路路径的影响，缩短了第一透镜100到光场转换装置的第一焦平面的光路路径，这样，在进行空间折叠时，有利于减少空间体积，并有利于整机设计与产品小型化。

此外，由于光学总长的缩短，光学性能也得到有效提升，使光调制器700的光场更加均匀。

在此需要说明的是，焦平面是光场形成的，第一焦平面是第一透镜100与第二透镜500联合形成的，光场还包括第二焦平面，是由第二透镜500与后面的结构形成的。

请参阅图1至图4，在本发明一个实施例中，场镜200为一个非球面透镜，其在光路方向上靠近第一透镜100一侧的表面为球面，而在光路方向上靠近第二透镜500一侧的表面为非球面。

非球面透镜的镜片形状是通过精确计算并由精密机器研磨而成，在设计过程中充分考虑到上述各校正因素，可以改善镜片边缘部分对光的有效利用，从而使物体的成像更加细致，因而一片非球面透镜就能实现多个球面镜片校正像差的效果，用非球面透镜制造镜头可以有效减少镜片的数量并因此减小镜头的体积，还使得镜头的成像精度更佳，透光度更好，色彩还原更加准确。

在本实施例中，非球面透镜的非球面为二次非球面，二次非球面系数k<0。

进一步地，在本发明一个实施例中，第一透镜的厚度为t1，5.3mm<t1<13.9mm；

场镜的厚度为t2，5.3mm<t2<13.9mm；

第二透镜的厚度为t3，5.3mm<t3<13.9mm。

将第一透镜100、场镜200、第二透镜500的厚度控制在5.3mm-13.9mm的范围内，能够在一透镜100、场镜200、第二透镜500实现各自功能作业的前提需要，保证各自机械强度。

当然，在本发明其他实施例中，场镜200还可以是两个在光路上依次设置的球面透镜。

请参阅图1至图4，在本发明一个实施例中，光场转换装置还包括第一反射镜300和第二反射镜400，第一反射镜300在光路方向上设置于第一透镜100与场镜200之间，第一反射镜300的发射面用于将经第一透镜100射出的光线反射至场镜200，第二反射镜400在光路方向上设置于场镜200与第二透镜500之间，第二反射镜400的发射面用于将经场镜200出的光线反射至第二透镜500，也即是第一透镜100、第一反射镜300、场镜200、第二反射镜400和第二透镜500沿光路依次设置。第一反射镜300和第二反射镜400通过改变光路路径，从而在空间折叠时，减少空间占用。

基于此结构设计，在光路路径上，场镜200位于第一反射镜300和第二反射镜400之间，这样，无需给场镜200专门放置空间，可以重复利用第一反射镜300和第二反射镜400之间的设置空间，在进行空间折叠时，也有利于减少空间体积，并有利于整机设计与产品小型化。

在本发明一个实施例中，第一反射镜300设置于光场装换装置的第一焦平面和场镜200之间，第一反射镜300在光路路径上位于光场装换装置的第一焦平面的前侧。由于第一反射镜300和起到空间折叠的作用，将第一反射镜300移动至光场转换装置的第一焦平面的前侧，减少第一反射镜300到第一透镜100的距离，进而有利于减少空间体积，并有利于整机设计与产品小型化。

在本发明一个实施例中，第一透镜的折射率为n1，1.4<n1<1.68；

场镜的折射率为n2，1.4<n2<1.68；

第二透镜的折射率为n3，1.4<n3<1.68。

将第一透镜100、场镜200和第二透镜500折射率控制在1.4-1.68的范围内，有利于扩大第一透镜100、场镜200和第二透镜500的材质可选范围，可选用价格较为低廉的冕牌玻璃，降低成本。

请参阅图2至图4，在本发明一个实施例中，光场转换装置还包括积分方棒800，光线穿过积分方棒800后，进入第一透镜100，这样，从激光光源输出的不均匀光场被耦合进入到积分方棒800，并在积分方棒800内多次反射到达积分方棒800的输出端面，其中，由于光束在积分方棒800多次反射产生的强度积分效应，不均匀的光场会被均化，从而经积分方棒800到第一透镜100的光场是均匀的。

具体地，积分方棒800输出端面与空间光调制器700互为光学共轭面，其间的光学系统作用在于把积分方棒800输出端面均匀光场放大并转换到空间光调制器700上。积分方棒800输出端面的输出光束通过第一透镜100进行收光以压缩光束的发散角，并经由第一反射镜300反射到达第一焦平面。在本发明实施例中，第一透镜100为具有正光焦度的球面透镜，且其光焦度为0.03-0.04。第一透镜100距离积分方棒800输出端面的距离在2.5mm-3.5mm之间。

积分方棒800的输出端面任意点发出的全部光线经由第一透镜100收光后到达第一焦平面的光斑都具有相同的光斑大小和位置。场镜200通过对经过第一焦平面的光束进行整形，进一步压缩光束的发散角，同时补偿整个光学系统的场曲和畸变，使得最终到达空间光调制器700的光场均匀不被破坏。

在本发明一个实施例中，第二透镜500优选为具有正光焦度的双凸透镜，其光焦度为0.01-0.02，第二透镜500与TIR棱镜600沿光轴的间距为3.5-6mm。

在本发明一个实施例中，第一反射镜300反射前后光轴之间的夹角小于等于45°，优选夹角在35°-45°之间；第二反射镜400反射前后光轴之间的夹角大于等于90°，优选夹角在90°-100°之间。

在本发明一个实施例中，第一反射镜300反射前后两光轴所组成的平面P1，第二反射镜400反射前后两光轴所组成的平面P2，P1与P2不在同一平面内。

本发明还提出一种激光显示设备，该激光显示设备包括激光光源、激光消散斑装置、空间光调制器700、镜头以及光场转换装置，该光场转换装置的具体结构参照上述实施例，由于本激光显示设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光场转换装置，包括第一透镜、第二透镜和场镜，其特征在于，所述第一透镜、所述场镜和所述第二透镜沿光路依次设置，所述光场转换装置的第一焦平面设置于所述第一透镜与所述场镜之间。

2.如权利要求1所述的光场转换装置，其特征在于，所述场镜为一个双凸非球面透镜，其在光路方向上靠近所述第一透镜一侧的表面为球面，而在光路方向上靠近所述第二透镜一侧的表面为非球面。

3.如权利要求2所述的光场转换装置，其特征在于，所述第一透镜的厚度为t1，5.3mm<t1<13.9mm；

所述场镜的厚度为t2，5.3mm<t2<13.9mm；

所述第二透镜的厚度为t3，5.3mm<t3<13.9mm。

4.如权利要求1所述的光场转换装置，其特征在于，所述场镜包括两个在光路上依次设置的球面透镜。

5.如权利要求1所述的光场转换装置，其特征在于，所述光场转换装置还包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜在光路方向上设置于所述第一透镜与所述场镜之间，所述第一反射镜的发射面用于将经所述第一透镜射出的光线反射至所述场镜，所述第二反射镜在光路方向上设置于所述场镜与所述第二透镜之间，所述第二反射镜的发射面用于将经所述场镜出的光线反射至所述第二透镜。

6.如权利要求5所述的光场转换装置，其特征在于，所述第一反射镜位于所述第一透镜和所述光场转换装置的第一焦平面之间。

7.如权利要求1所述的光场转换装置，其特征在于，所述第一透镜的折射率为n1，1.4<n1<1.68；

所述场镜的折射率为n2，1.4<n2<1.68；

所述第二透镜的折射率为n3，1.4<n3<1.68。

8.如权利要求1所述的光场转换装置，其特征在于，所述光场转换装置还包括积分方棒，光线穿过所述积分方棒后，进入所述第一透镜。

9.如权利要求1所述的光场转换装置，其特征在于，所述第一透镜为具有正光焦度的球面透镜，且其光焦度为0.03-0.04；

所述第二透镜为具有正光焦度的双凸透镜，其光焦度为0.01-0.02。

10.一种激光显示设备，其特征在于，包括激光光源、激光消散斑装置、空间光调制器、镜头以及如权利要求1至9中任一项所述的光场转换装置。

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