CN111487839A - 光学引擎和投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学引擎和投影设备。该光学引擎包括：光源、透镜组件、反射组件和数字微镜器件DMD；其中，所述透镜组件，用于将光源发射的光束传输至所述反射组件；所述光源发射的光束的主光线平行；所述反射组件，用于将所述透镜组件传输的光束反射至数字微镜器件DMD的入光面。本发明实施例保证了照度均匀性不受影响的前提下降低了成本，而且由于反射组件只有折转光线的作用，不会导致F/#不一致，从而提高光机照明系统搭配镜头时的效率。

Description

光学引擎和投影设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学引擎和投影设备。

背景技术

数字光学处理(Digital Light Procession，简称DLP)投影设备中一般包括：光源、光机照明系统、数字微镜器件(Digital Micromirror Device，简称DMD)和镜头等。其中，DMD是DLP投影设备的核心元器件，光源发出的光经由光机照明系统传输至DMD的入光面，DMD的驱动控制部件根据投影图像信号内容控制DMD众多的反射镜镜片发生正负方向的旋转，具体通过对DMD的反射镜的旋转角度及方向的控制，实现正向出光和负向出光，从而实现投影显示。

为了提高光机照明系统的照度均匀性，光机照明系统一般采用远心系统架构，而且采用全内反射(Total Internal Reflection，TIR)组件(或(Reflection-TotalInternal Reflection，简称RTIR)组件)对光路进行折转。如图1所示，光学系统主要包括透镜组件10、TIR组件20、DMD 30和光导管40，透镜组件10的中心线，以及光源系统50出射的光束的主光轴重合，TIR是将呈三棱柱结构的第一楔形棱镜201的第一侧面和呈三棱柱结构的第二楔形棱镜202的第一侧面胶合而成，DMD 30所在的平面与第一楔形棱镜的第二侧面平行。其中，主光轴是指一束光束中沿中心线方向的光束。光源系统50出射的光束先经过光导管40进行整形处理，并将处理后的光束入射至透镜组件10，再经过透镜组件10进行处理，以保证在成像系统上的成像质量，同时保证处理后的光束在DMD 30所在平面上形成的光斑能够覆盖DMD 30。之后，处理后的光束出射至第一楔形棱镜201的第三侧面，并入射至第一楔形棱镜201的第一侧面，从而在第一楔形棱镜201的第一侧面发生全反射后，沿第一楔形棱镜201的第二侧面出射至DMD 30，DMD 30在将光束进行反射后，依次穿过第一楔形棱镜201的第二侧面和第一侧面，以及第二楔形棱镜202的第一侧面和第二侧面出射至投影设备的成像系统60。上述方案中TIR组件(或RTIR组件)成本较高。

发明内容

本发明提供一种光学引擎和投影设备，以实现在保证照度均匀性不受影响的前提下降低成本。

第一方面，本发明提供一种光学引擎，包括：

光源、透镜组件、反射组件和数字微镜器件DMD；

其中，所述透镜组件，用于将光源发射的光束传输至所述反射组件；所述光源发射的光束的主光线平行；

所述反射组件，用于将所述透镜组件传输的光束反射至数字微镜器件DMD的入光面。

在本发明的一种实现方式中，所述反射组件包括：第一反射镜和第二反射镜；

其中，所述第一反射镜与所述光源发射的光束的光轴之间具有第一夹角，所述第一反射镜用于将所述透镜组件传输的光束反射至所述第二反射镜；

所述第二反射镜与所述第一反射镜的反射的光束的光轴之间具有第二夹角，所述第二反射镜用于将所述第一反射镜反射的光束反射至所述DMD的入光面。

在本发明的一种实现方式中，所述第一反射镜和所述第二反射镜的反射面之间具有空隙，所述空隙用于透过所述DMD发射至镜头的光束。

在本发明的一种实现方式中，所述第二反射镜用于将所述第一反射镜反射的光束按照预设入光角度反射至所述DMD的入光面；所述预设入光角度为所述第二反射镜反射的光束的光轴相对于所述DMD的入光面的入射角度。

在本发明的一种实现方式中，子午面和弧矢面的F/#相同。

在本发明的一种实现方式中，所述第一夹角为45度，所述第二夹角的范围为29-33度。

在本发明的一种实现方式中，所述透镜组件包括沿所述光源的出光方向排列的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组；所述第一透镜组用于校正所述光学引擎的彗差，所述第二透镜组用于校正所述光学引擎的球差，所述第三透镜组用于校正所述光学引擎的场曲。

在本发明的一种实现方式中，光学引擎还包括：

光导管，所述光导管位于所述光源与所述透镜组件之间，用于将所述光源发射的光束进行匀化；所述光导管的长度方向与所述光源发射的光束的光轴平行。

在本发明的一种实现方式中，光学引擎还包括：

振镜，所述振镜设置在所述反射组件和所述DMD之间，所述振镜与所述DMD平行设置。

第二方面，本发明提供一种投影设备，包括：

如第一方面中任一项所述的光学引擎。

本发明实施例提供的光学引擎和投影设备，包括：光源、透镜组件、反射组件和数字微镜器件DMD；其中，所述透镜组件，用于将光源发射的光束传输至所述反射组件；所述光源发射的光束的主光线平行；所述反射组件，用于将所述透镜组件传输的光束反射至数字微镜器件DMD的入光面，保证了照度均匀性不受影响的前提下降低了成本，而且由于反射组件只有折转光线的作用，不会导致F/#不一致，从而提高光机照明系统搭配镜头时的效率。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是相关技术中光学系统的光路示意图；

图2是本发明提供的光学引擎一实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的光学引擎另一实施例的结构示意图；

图4是本发明提供的光学引擎另一实施例的光路示意图；

图5是本发明提供的光学引擎一实施例的镜头示意图；

图6是本发明提供的光学引擎又一实施例的结构示意图；

图7是本发明提供的光学引擎又一实施例的结构示意图。

附图标记说明：

M1、第一反射镜； M2、第二反射镜； 2、振镜；

3、光导管； 4、DMD。

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

首先对本发明所涉及的名词进行介绍：

光机照明系统：是指采用光源照明目标并使目标投影到屏幕的光学系统，并要求在像面内具有高亮度和高均匀性。

光机照明系统的效率：光机照明系统输出能量与输入能量的比值。

物方远心光学系统：光学系统的物方主光线平行于光轴，主光线的会聚中心位于物方无限远处。

像方远心光学系统：光学系统的像方主光线平行于光轴，主光线的会聚中心位于像方无线远处。

双远心光学系统：物像方均为远心架构的光学系统。

子午面：轴外物点的主光线与光学系统主轴所构成的平面。

弧矢面：过轴外物点的主光线，并与子午面垂直的平面。

主光线：通过光学系统光瞳中心的光线。

为了提高光机照明系统的照度均匀性，一般采用远心系统架构，而且采用全内反射TIR组件(或RTIR组件)对光路进行折转，上述方案中TIR组件(或RTIR组件)成本较高。

如图1所示，经透镜组件处理后的光束出射至第一楔形棱镜21的第三侧面，并入射至第一楔形棱镜21的第一侧面，从而在第一楔形棱镜21的第一侧面发生全反射后，沿第一楔形棱镜21的第二侧面出射至DMD3，DMD3在将光束进行反射后，依次穿过第一楔形棱镜21的第二侧面和第一侧面，以及第二楔形棱镜22的第一侧面和第二侧面出射至投影设备的成像系统6。在子午面，TIR组件相当于反射镜加透镜的作用。在弧矢面，TIR组件相当于平行平板的作用。由此，导致子午面和弧矢面的F/#不一致，导致与镜头匹配时效率的损失。

本发明实施例提供的光学引擎，在保证远心光路的同时去掉TIR组件，即保证了照度均匀性不受影响的前提下降低了成本，而且由于反射组件只有折转光线的作用，不会导致F/#不一致，从而提高光机照明系统搭配镜头时的效率。

下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图2是本发明提供的光学引擎一实施例的结构示意图。如图2所示，本实施例提供的光学引擎，包括：

光源、透镜组件、反射组件和数字微镜器件DMD；

其中，所述透镜组件，用于将光源发射的光束传输至所述反射组件；所述光源发射的光束的主光线平行；

所述反射组件，用于将所述透镜组件传输的光束反射至数字微镜器件DMD的入光面。

具体的，透镜组件将光源发射的光束传输至反射组件，反射组件将透镜组件传输的光束进行折转，改变光束进入DMD的传输角度和方向，易于实现DMD入光面对光束的入射要求，同时压缩了光学引擎的光路体积。

在实际应用中，透镜组件和反射组件的参数，如包括的镜片的个数，镜片的面型，镜片的间距等可以根据具体情况条件，例如透镜组件可以包括三组透镜，每组至少包括一个透镜，例如一组用于校正所述系统的彗差，一组用于校正所述系统的球差，一组用于校正所述系统的场曲。

本发明实施例提供的光学引擎可以为远心光学系统。

本实施例的光学引擎，包括：光源、透镜组件、反射组件和数字微镜器件DMD；其中，所述透镜组件，用于将光源发射的光束传输至所述反射组件；所述光源发射的光束的主光线平行；所述反射组件，用于将所述透镜组件传输的光束反射至数字微镜器件DMD的入光面，保证了照度均匀性不受影响的前提下降低了成本，而且由于反射组件只有折转光线的作用，不会导致F/#不一致，从而提高光机照明系统搭配镜头时的效率。

在上述实施例的基础上，可选的，所述反射组件包括：第一反射镜和第二反射镜；

其中，所述第一反射镜与所述光源发射的光束的光轴之间具有第一夹角，所述第一反射镜用于将所述透镜组件传输的光束反射至所述第二反射镜；

所述第二反射镜与所述第一反射镜的反射的光束的光轴之间具有第二夹角，所述第二反射镜用于将所述第一反射镜反射的光束反射至所述DMD的入光面。

具体的，第一反射镜与光源发射的光束的光轴(图3中X轴)之间具有第一夹角，第一反射镜用于将透镜组件传输的光束反射至第二反射镜，第一夹角例如为45度，经第一反射镜反射的光束与经透镜组件传输的光束之间垂直。

第二反射镜与第一反射镜的反射的光束的光轴(图3中Y轴)之间具有第二夹角，第二夹角的范围例如为29-33度。

进一步的，所述第一反射镜和所述第二反射镜的反射面之间具有空隙，所述空隙用于透过所述DMD发射至镜头的光束。

其中，所述第二反射镜用于将所述第一反射镜反射的光束按照预设入光角度反射至所述DMD的入光面；所述预设入光角度为所述第二反射镜反射的光束的光轴相对于所述DMD的入光面的入射角度。

反射组件包括两面第一反射镜和第二反射镜，该两面第一反射镜和第二反射镜可以将从透镜组件出射的光转折后发射至DMD，并使得出射光满足DMD对光束的入射要求。

可选的，如图4所示，本实施例的光学引擎还包括：

振镜2，所述振镜2设置在反射组件和DMD之间，振镜2与DMD平行设置。

如图4所示，利用第一反射镜M1和第二反射镜M2替代TIR组件，光线经第一反射镜M1和第二反射镜M2反射后入射至DMD,经DMD反射的光从第一反射镜M1和第二反射镜M2之间出射。因光机照明系统为远心光学系统，各视场主光线平行经透镜组件出射后，与光轴夹角近似为0°(0视场为0°)此时，光轴为X轴方向。第一反射镜M1的摆放角度为与Y轴倾斜45°，即第一反射镜M1与X轴的夹角为45°，则主光线与第一反射镜M1夹角为45°，经第一反射镜M1反射后，光轴变为Y轴方向，主光线近似平行Y轴(0视场为0°)。因第二反射镜M2摆放角度可以为与X轴倾斜30°，则主光线与第二反射镜M2夹角为30°，经第二反射镜M2反射后，光轴与Y轴成60°夹角。振镜2沿X轴倾斜34°，则此时主光线与DMD成34°角度。当DMD处于ON状态时，光线刚好在第一反射镜M1和第二反射镜M2之间出射，且主光线与Z轴方向平行。

上述的角度时根据DMD的入光角度设计的，在实际应用中，若DMD的入光角度改变，也可以根据实际情况调整反射组件的倾斜角度。

其中，所述光学引擎的子午面和弧矢面的F/#相同。

反射镜是光学仪器的重要组成部分，在光学仪器(例如投影设备等)的使用中，反射镜的主要作用是用来反射光线以改变光线的方向。

采用反射镜，子午面和弧矢面F/#值相同，又因为光学引擎为远心光学系统，因此DMD尺寸相对于出瞳距离可忽略不计，远场时光斑近似为圆形。与远心镜头匹配时，镜头的光斑也是圆形，两者相匹配时，可以使光学引擎的效率最大化。理想情况下，光机照明系统F/#和镜头F/#取值一致时，两者效率最大化。光机照明系统的远场光斑近似为圆形，如图5所示，镜头几乎将所有光机照明系统的能量都包涵进去。

本实施例中，保证了照度均匀性不受影响的前提下降低了成本，而且由于反射组件只有折转光线的作用，不会导致F/#不一致，从而提高光机照明系统搭配镜头时的效率。

在光学系统中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，光学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的入光面可旋转角度的2倍。因此，需要说明的是，本发明实施例中，DMD的入光面的旋转角度(也称最大旋转角度)可以为17度，即为DMD的入光面发生正17度或负17度的旋转。

需要说明的是，上述DMD的入光面的旋转角度为17度只是示意性说明，实际应用中，本发明实施例中的反射组件应用于光学引擎，旨在转折光路，以配合该光学引擎中的其他结构，使该出射光符合不同的DMD入射要求，使得整个光学引擎具有可调性和兼容性。

综上所述，本发明实施例提供的光学引擎，反射组件将光束进行转折，从而改变光束进入DMD的传输角度和方向，易于实现DMD入光面对光束的入射要求，同时压缩了光学引擎的光路体积，也即是，反射组件的角度设置，实现了对光束的转折，影响了DMD入光面的入射角度，满足DMD入射方式要求。

在上述实施例的基础上，可选的，如图6所示，还包括：

光导管3，所述光导管3位于所述光源与所述透镜组件之间，用于对所述光源发射的光束进行匀化；所述光导管的长度方向与所述光源发射的光束的光轴平行。

具体的，光导管3用于对光源发射的光束进行匀化，光导管3的长度方向为光源的发光方向。

进一步，透镜组件包括沿光源的出光方向排列的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组；所述第一透镜组用于校正光学引擎的彗差，所述第二透镜组用于校正光学引擎的球差，所述第三透镜组用于校正光学引擎的场曲。

如图6所示，第一透镜组可以包括透镜C1，透镜C1可以为弯月透镜，第二透镜组可以包括正负透镜C2和透镜C3，第三透镜组可以包括透镜C3和透镜C4。其中，透镜C2或透镜C4可以为非球面透镜。图6中4表示DMD。

如图7所示，经透镜组件出射的光线，发射至第一反射镜M1，经第一反射镜M1反射后发射至第二反射镜M2，经第二反射镜M2反射的光线发射至振镜2，经振镜2出射的光线入射至DMD,经DMD反射的光线从第一反射镜M1和第二反射镜M2之间出射。

本发明实施例还提供了一种投影设备，包括：

如上述任一实施例所述的光机照明系统。

本实施例的投影设备，与上述任一实施例的实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本实施例中，保证了照度均匀性不受影响的前提下降低了成本，而且由于反射组件只有折转光线的作用，不会导致F/#不一致，从而提高光机照明系统搭配镜头时的效率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种光学引擎，其特征在于，包括：

光源、透镜组件、反射组件和数字微镜器件DMD；

其中，所述透镜组件，用于将所述光源发射的光束传输至所述反射组件；所述光源发射的光束的主光线平行；

所述反射组件，用于将所述透镜组件传输的光束反射至所述DMD的入光面。

2.根据权利要求1所述的光学引擎，其特征在于，所述反射组件包括：第一反射镜和第二反射镜；

其中，所述第一反射镜与所述光源发射的光束的光轴之间具有第一夹角，所述第一反射镜用于将所述透镜组件传输的光束反射至所述第二反射镜；

所述第二反射镜与所述第一反射镜的反射的光束的光轴之间具有第二夹角，所述第二反射镜用于将所述第一反射镜反射的光束反射至所述DMD的入光面。

3.根据权利要求2所述的光学引擎，其特征在于，

所述第一反射镜和所述第二反射镜的反射面之间具有空隙，所述空隙用于透过所述DMD发射至镜头的光束。

4.根据权利要求2所述的光学引擎，其特征在于，

所述第二反射镜用于将所述第一反射镜反射的光束按照预设入光角度反射至所述DMD的入光面；所述预设入光角度为所述第二反射镜反射的光束的光轴相对于所述DMD的入光面的入射角度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光学引擎，其特征在于，

子午面和弧矢面的F/#相同。

6.根据权利要求2所述的光学引擎，其特征在于，所述第一夹角为45度，所述第二夹角的范围为29-33度。

7.根据权利要求1-4任一项所述的光学引擎，其特征在于，所述透镜组件包括沿所述光源的出光方向排列的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组；所述第一透镜组用于校正所述光学引擎的彗差，所述第二透镜组用于校正所述光学引擎的球差，所述第三透镜组用于校正所述光学引擎的场曲。

8.根据权利要求1-4任一项所述的光学引擎，其特征在于，还包括：

光导管，所述光导管位于所述光源与所述透镜组件之间，用于将所述光源发射的光束进行匀化；所述光导管的长度方向与所述光源发射的光束的光轴平行。

9.根据权利要求1-4任一项所述的光学引擎，其特征在于，还包括：

振镜，所述振镜设置在所述反射组件和所述DMD之间，所述振镜与所述DMD平行设置。

10.一种投影设备，其特征在于，包括：

如权利要求1-9任一项所述的光学引擎。

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