CN112445050B - 一种投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种投影光学系统。该投影光学系统包括：光源、分光合光装置、第一空间光调制器、第二空间光调制器；其中，光源，用于出射照明光束，照明光束包括多个子光束；分光合光装置包括分光面和合光面，多个子光束到分光面的入射角不同。其中，任意一个子光束到分光面的入射角和该子光束对应的第一子光束和第二子光束到合光面的入射角相等或者基本相等。通过这种方式，能够减少照明光束在分光合光时的光能损失，从而提高系统的输出亮度。

Description

一种投影光学系统

技术领域

本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种投影光学系统。

背景技术

在中低端影院放映机和高端工程投影机领域，用户对双片式光学引擎有很大的需求。与三片式的高端放映机相比较，双片式光学引擎在能够实现维持12bit的放映灰阶基础上，又可以减少成本；与单片式的工程投影机相比较，双片式光学引擎能够实现更高的亮度和灰阶。因此对于双片式光学引擎系统而言，只有实现较高的光学效率，才能体现出其优势。

本申请的发明人在长期的研发过程中发现，现有的技术中，双片式光学引擎中的入射光在分光合光过程有光谱的损失，因此分出来的红荧光和绿荧光的颜色较好，与DCI-P3的标准的色坐标相接近，因此限制了红绿激光加入的数量，使得整机虽然能够实现放映机的色域标准，但能够达到的亮度受到限制。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是提供一种投影光学系统，能够减少分光合光时的光损失，从而能够提高投影光学系统的输出亮度。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种投影光学系统，该投影光学系统包括：光源、分光合光装置、第一空间光调制器、第二空间光调制器；其中，光源用于发射照明光束，照明光束包括多个子光束；分光合光装置包括分光面和合光面，多个子光束入射到分光面的入射角不同，分光面用于将每个子光束分成第一子光束和第二子光束，第一子光束进入第一空间光调制器，第二子光束进入第二空间光调制器，合光面用于将第一空间光调制器出射的第一子光束和第二空间光调制器出射的第二子光束合成出射光束；

其中，照明光束中任意一个子光束到分光面的入射角和子光束对应的第一子光束和第二子光束到合光面的入射角的差值小于预设的阈值。

其中，分光合光装置包括相邻设置的第一光学部和第二光学部，第一光学部与第二光学部邻接的表面中一部分设置有分光面，另一部分设置有合光面，第一光学部用于将照明光束引导至分光面，并将第二子光束经过M次反射后引导至第二空间光调制器，其中M为大于等于2的偶数；第二光学部用于将第一子光束经过N次反射后引导至第一空间光调制器，其中N为大于等于2的偶数。

其中，第一光学部包括有相邻设置的第一棱镜和第二棱镜，第一棱镜与第二棱镜相邻接的表面为第一全反射面，第一棱镜中与第一全反射面相对设置的表面为第二全反射面，第二子光束依次经过第二全反射面和第一全反射面后被反射至第二空间光调制器。

其中，第二光学部包括有相邻设置的第三棱镜和第四棱镜，第三棱镜与第四棱镜相邻接的表面为第三全反射面，第三棱镜中与第三全反射面相对设置的表面为第四全反射面，第一子光束依次经过第四全反射面和第三全反射面后被反射至第一空间光调制器。

其中，分光合光装置还包括第五棱镜，第五棱镜包括与第一棱镜的第二全反射面邻接的第一表面，和与照明光束的主光轴垂直的第二表面。

其中，照明光束包括第一色光、第二色光和第三色光，分光面根据波长特性对第一色光透射，对第二色光和第三色光反射，合光面根据波长特性对第一色光透射，对第二色光和第三色光反射。

其中，投影光学系统还包括光学中继系统，光学中继系统位于光源与分光合光装置之间，用于使照明光束聚集至预定的范围内。

其中，光源为偏振照明光源。

其中，分光面根据偏振特性将每个子光束分为第一子光束和第二子光束；合光面根据偏振特性将第一空间光调制器出射的第一子光束和第二空间光调制器出射的第二子光束合成出射光束。

其中，照明光束中任意一个子光束在分光面的入射角小于分光面的全反射角。

本申请实施例的有益效果是：本申请投影光学系统包括有：光源、分光合光装置、第一空间光调制器、第二空间光调制器。本投影光学系统中，光源发出照明光束，照明光束分为多个子光束，多个子光束入射到分光面的入射角不同，分光面将每个子光束分为第一子光束和第二子光束。第一子光束和第二子光束经过第一空间光调制器或者第二空间光调制器调制后进入合光面。其中任意子光束在分光面的入射角与该子光束对应的第一子光束和第二子光束入射至合光面的入射角相等或者基本相等。通过此种方式，使得照明光束在合光和分光时透过率曲线大致相同，能够减少光损失，进而可以提高本投影光学系统的输出亮度。

附图说明

图1是本申请投影光学系统第一实施例的结构示意图；

图2是本申请投影光学系统的色域坐标图；

图3是本申请投影光学系统第二实施例的结构示意图；

图4是本申请投影光学系统中分光面和合光面一实施例的镀膜曲线图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

请参阅图1，图1是本申请投影光学系统第一实施方式的结构示意图，本投影光学系统包括有：光源1、分光合光装置2、第一空间光调制器31和第二空间光调制器32。

光源1用于发射照明光束，该照明光束包含至少两种基色光。其中，光源1可以包括激光二极管、发光二极管等固体光源。照明光束包括多个子光束。照明光束入射到分光合光装置2上时，有多个入射角，在本发明实施例中，将入射角相同的一小束光作为一个子光束。

分光合光装置2用于补偿照明光束的光程差、照明光束的全反射、分色以及图像光的合成。分光合光装置2包括有分光面S1和合光面S2。多个子光束入射至分光面S1的入射角不同。分光面S1用于将入射至分光面S1的每个子光束分成对应的第一子光束和第二子光束。分光面S1对第一子光束透射，对第二子光束反射。第一子光束进入第一空间光调制器31，第二子光束进入第二空间光调制器32。合光面S2用于将第一空间光调制器31出射的第一子光束和第二空间光调制器32出射的第二子光束合成为出射光束后出射。第一空间光调制器31和第二空间光调制器32关于合光面S2镜像对称。

由于分光面S1和合光面S2通常为镀膜器件，其光线透过率特性与光线入射至分光面S1和合光面S2的角度紧密相关。入射角的差异容易导致光线的透过率特性不一致，从而损失较多的光。为了能够减少光损失，本实施例中，照明光束中任意一个子光束到分光面S1的入射角和该子光束对应的第一子光束和第二子光束到合光面S2的入射角的差值小于预设的阈值。该预设的阈值可为1度、3度、5度等，具体可根据实际需求进行设置。也可以理解为，每个子光束在分光面S1的入射角与该子光束经过分光、反射、调制后至合光面S2的入射角相等或者基本相等。

可以理解的是，本实施例中，多个子光束中包括有第一边缘光束和第二边缘光束，第一边缘光束在分光面S1的入射角小于第二边缘光束在分光面S1的入射角，即第一边缘光束在分光面S1对应小入射角，第二边缘光束在分光面S1对应大入射角。第一边缘光束在经过分光、反射、调制后，入射至合光面S2的入射角仍然对应为小入射角。第二边缘光束在经过分光、反射、调制后，入射至合光面S2的入射角仍然对应为大入射角。

通过使照明光束中每个子光束在分光面S1和合光面S2的入射角相等或者基本相等，能够使得任意子光束在分光面S1处和合光面S2处的透过率特性保持一致，从而减少光能量的损失，进而可以实现系统更高的输出亮度。

具体地，分光合光装置2包括相邻设置的第一光学部和第二光学部，第一光学部与第二光学部邻接的表面中一部分设置有分光面S1，另一部分设置有合光面S2。第一光学部用于将光源1发出的照明光束引导至分光面S1，并将第二子光束引导至第二空间光调制器32。第二光学部用于将沿第一子光束引导至第一空间光调制器31。

其中，照明光束入射至分光面S1的入射角与光源1和分光合光装置2的相对位置有关。通过设置光源1和分光合光装置2之间的位置关系可以控制照明光束中任意子光束到分光面S1的入射角的大小。照明光束中任意子光束到分光面S1的入射角小于分光面S1的全反射角。

本实施例中，分光面S1和合光面S2在同一平面上。为了能够使照明光束中任意一个子光束在分光面S1的入射角与该子光束在经过分光、反射、调制后出射到合光面S2的入射角相等或者基本相等，第一子光束和第二子光束在反射至合光面S2时都要经过奇数次反射。具体的，第一光学部需将第二子光束经过M次反射后引导至第二空间光调制器32，其中M为大于等于2的偶数，比如M为2、4等，第二空间光调制器32对第二子光束进行调制后再将调制后的携带有图像信息的第二子光束反射至合光面S2上。第二光学部需将第一子光束经过N次反射后引导至第一空间光调制器31，其中N为大于等于2的偶数，比如N为2、4等，第一空间光调制器31对第一子光束进行调制后再将调制后的携带有图像信息的第一子光束反射至合光面S2上。

在一个具体的实施例中，第一光学部包括有相邻设置的第一棱镜21和第二棱镜22，第一棱镜21与第二棱镜22相邻接的表面为第一全反射面211，第一全反射面211对入射角大于第一阈值的光线全反射。第一棱镜21中与第一全反射面211相对设置的表面为第二全反射面212，第二全反射面212对入射角大于第二阈值的光线全反射。可选地，可在第一全反射面211和第二全反射面212上镀反射膜，以实现反射功能。也可以通过在第一棱镜21与第二棱镜22邻接的表面之间设置空气隙，使第一全反射面211实现反射功能。

第二光学部包括有相邻设置的第三棱镜23和第四棱镜24，第三棱镜23与第四棱镜24相邻接的表面为第三全反射面231，第三全反射面对入射角大于第三阈值的光线全反射。第三棱镜23中与第三全反射面231相对设置的表面为第四全反射面232，第四全反射面232对入射角大于第四阈值的光线全反射。可选地，可在第三全反射面231和第四全反射面232上镀反射膜，以实现反射功能。还可以通过在第三棱镜23与第四棱镜24邻接的表面之间设置空气隙，使第三全反射面231实现反射功能。

第一棱镜21将照明光束引导至分光面S1，分光面S1将每个子光束分为透射的第一子光束和反射的第二子光束，其中，第二子光束依次经过第二全反射面212和第一全反射面211的反射后进入第二空间光调制器32，第一棱镜21和第二棱镜22再将第二空间光调制器32出射的第二子光束反射至合光面S2。第一子光束在第三棱镜23中依次经过第四全反射面232和第三全反射面231的反射后进入第一空间光调制器31。第三棱镜23和第四棱镜24再将第一空间光调制器31出射的第一子光束引导至合光面S2。合光面S2将第一子光束和第二子光束合成出射光束后出射。

在本实施例中，第一子光束和第二子光束均经过了3次反射后入射至合光面S2。其中，照明光束中的任意一个子光束在分光面S1的入射角与该子光束经过分光、反射后入射至合光面S2的入射角相等或者基本相等。通过这种方式，在镀膜时才能使分光面S1和合光面S2的镀膜特性一致，从而使得照明光束在分光和合光时的透过率曲线基本一致，因此能够实现光能无损失。

本实施例中，任意子光束的传播路径均在同一平面，因此，本实施例的分光合光装置2采用平面走光方式，也就是说本实施例中，照明光束中任意一子光束的分光、反射、合光在同一个平面内。

进一步地，分光面S1设置于第一棱镜21和第三棱镜23相邻接的表面，用于根据波长特性将照明光束分为第一子光束和第二子光束。该分光面S1可为波长分光片或者可将任意子光束分成第一子光束和第二子光束的其他光学元件，比如分光镀膜层。本实施例中，照明光束包括有第一色光、第二色光和第三色光，该分光面S1的分光特征可以是对第一色光透射，对第二色光和第三色光反射。在一个具体的实施例中，第一色光为红光，第二色光为蓝光，第三色光为绿光。在其他可替代的实施例中，第一色光还可以为蓝光，第二色光可以为红光，第三色光可以为绿光等。可以理解，以上只是对第一色光、第二色光、第三色光进行的举例说明，第一色光、第二色光、第三色光不以上述举例说明为限。

合光面S2设置在第二棱镜22和第四棱镜24相邻接的表面，用于将第一空间光调制器31出射的第一子光束和第二空间光调制器32出射的第二子光束合成出射光束后出射。该合光面S2可以为波长合光片或者可将第一空间光调制器31出射的第一子光束和第二空间光调制器32出射的第二子光束合成出射光束后出射的其他光学元件，比如合光镀膜层。该合光面S2可以设置为对第一色光透射、对第二色光和第三色光反射。本实施例中，第一色光可以为红光，第二色光可以为蓝光，第三色光可以为绿光。在其他实施例中，还可将该合光面S2的特征设置为对第二色光透射、对第一色光和第三色光反射等。可以理解，以上只是对第一色光、第二色光、第三色光进行的举例说明，第一色光、第二色光、第三色光不以上述举例说明为限。

第一棱镜21可以为包含上述第一全反射面211、第二全反射面212和分光面S1的任意形状的棱镜，如四棱柱形状的棱镜等。当第一棱镜21的形状为四棱柱时，第一全反射面211和第二全反射面212相对设置，分光面S1连接第一全反射面211和第二全反射面212。

第二棱镜22可以为包含有第一全反射面211和合光面S2的任意形状的棱镜，比如三棱柱形状的棱镜、四棱柱形状的棱镜等。当第二棱镜22为四棱柱形状的棱镜时，合光面S2连接第一全反射面211。

第三棱镜23可以为包含上述第三全反射面231、第四全反射面232和分光面S1的任意形状的棱镜，如四棱柱形状的棱镜等。当第三棱镜23为四棱柱形状的棱镜时，第三全反射面231、第四全反射面232相对设置，分光面S1连接第三全反射面231和第四全反射面232。

第四棱镜24可以为包含第三全反射面231和合光面S2的任意形状的棱镜，比如三棱柱形状的棱镜等。

可选地，第一空间光调制器31和第二空间光调制器32可以为反射型显示元件，例如，数字微镜器件(Digtial Micromirror Devices，DMD)。在其他可替代的实施例中，第一空间光调制器31和第二空间光调制器32还可以是反射型的液晶面板。

在一个具体的实施例中，光源1发出的照明光束经过分光、合光实现光谱无损后，分出来的红荧光(red phosphor，RP)和绿荧光(green phosphor，GP)的颜色会比较差，如图2所示，图中x和y是色度坐标。为了达到电影放映机的DCI-P3色域标准，就需要加入较多的红激光(red laser，RL)和绿激光(green laser，GL)才能满足，而激光特别是绿激光对流明的贡献较大。因此，本实施例的投影光学系统在实现相同的标准色域时，可以实现更高的输出亮度。

可选地，为了使照明光束的主光轴能够垂直入射至分光合光装置2，分光合光装置2还包括第五棱镜25，第五棱镜25位于光源1与第一棱镜21之间。具体地，第五棱镜25包括有与第一棱镜21的第二全反射面212邻接的第一表面、和与照明光束的主光轴垂直的第二表面，第二表面用于引导照明光束的入射。该第五棱镜25可以为包含上述第一表面和第二表面的任意形状的棱镜，如三棱柱形状的棱镜等。在本申请另一实施例中，也可以将第一棱镜21与第五棱镜25做成一体棱镜。

进一步地，投影光学系统还包括光学中继系统5，光学中继系统5位于光源1与分光合光装置2之间，可使照明光束聚集至预定的范围内。光学中继系统5用于对光源1出射的光线进行收集，得到用于入射至分光合光装置2的照明光束。

可选地，投影光学系统还包括投影物镜4，投影物镜4与合光面S2相对设置。合光面S2将第一空间光调制器31出射的第一子光束和第二空间光调制器32出射的第二子光束合成为出射光束后出射至投影物镜4。

区别于现有技术，本实施例的投影光学系统包括有：光源1、分光合光装置2、第一空间光调制器31、第二空间光调制器32。本投影光学系统中，光源1发出照明光束，照明光束分为多个子光束，多个子光束入射到分光面S1的入射角不同，分光面S1将子光束分为第一子光束和第二子光束。第一子光束和第二子光束经过分光合光装置2以及第一空间光调制器31和第二空间光调制器32分光反射后进入合光面S2。其中任意子光束在分光面S1的入射角与该子光束对应的第一子光束和第二子光束入射至合光面S2的入射角相等或者基本相等。通过此种方式，使得照明光束在合光和分光时透过率曲线大致相同，能够减少光损失，进而可以提高本投影光学系统的输出亮度。

实施例二

请参阅图3，图3是本申请投影光学系统第二实施例的结构示意图，在第一实施例的基础上，本实施例中的光源1可以设置为偏振照明光源。本实施例的投影光学系统对偏振照明光的分光、合光时，也能够实现光效的无损化。

在介质材料中，由于S光和P光两种偏振态的透过率不同，因此介质膜层对于S光和P光的透过率曲线有所差异，即使入射角度保持一致，但透过率曲线也是彼此分离的。比如图4所示，P25为P光入射角为25度时的透过率曲线，S25为S光入射角为25度时的透过率曲线；P13为P光入射角为13度时的透过率曲线，S13为S光入射角为13度时的透过率曲线；P1为P光入射角为1度时的透过率曲线，S1为S光入射角为1度时的透过率曲线。从图中可以看出当入射角相同时P光和S光的透过率曲线仍然存在分离，但是随着入射角的减小，P光和S光的透过率曲线的分离度降低。

本实施例中，在光源1采用偏振照明光源的条件下，其发射的照明光束在分光合光装置中在同一个平面内(垂直或平行于电场方向)进行透射、分光、全反射和合光，其偏振态不发生变化。在利用分光合光装置进行分光和合光时，其偏振态、入射角都能够保持一致，因此能够实现偏振照明光的无损分光合光。

区别于第一实施例，本实施例中分光面S1根据偏振特性将照明光束中的任意子光束都分为第一子光束和第二子光束。具体地，第一子光束为P偏振光，第二子光束为S偏振光。分光面S1透射P偏振光，反射S偏振光。

合光面S2根据偏振特性将第一空间光调制器31出射的第一子光束和第二空间光调制器32出射的第二子光束合成出射光束后出射。具体地，合光面S2将第一空间光调制器31出射的P偏振光，和第二空间光调制器出射的S偏振光合成出射光束后出射。

对于分光合光装置的其他具体结构请参阅上述实施例一中的附图及文字说明，在此不再赘述。

本实施例中采用偏振照明光源，能够实现分光与合光的无损化以及较高的3D效率。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种投影光学系统，其特征在于，所述投影光学系统包括：光源、分光合光装置、第一空间光调制器、第二空间光调制器；其中，所述光源用于出射照明光束，所述照明光束包括多个子光束；

所述分光合光装置包括分光面和合光面，多个所述子光束入射到所述分光面的入射角不同，所述分光面用于将每个所述子光束分成第一子光束和第二子光束，所述第一子光束进入所述第一空间光调制器，所述第二子光束进入所述第二空间光调制器，所述合光面用于将所述第一空间光调制器出射的所述第一子光束和所述第二空间光调制器出射的所述第二子光束合成出射光束；

其中，所述照明光束中任意一个所述子光束到所述分光面的入射角和所述子光束对应的所述第一子光束和所述第二子光束到所述合光面的入射角的差值相等或基本相等。

2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述分光合光装置包括相邻设置的第一光学部和第二光学部，所述第一光学部与所述第二光学部邻接的表面中一部分设置有所述分光面，另一部分设置有所述合光面；

所述第一光学部用于将所述照明光束引导至所述分光面，并将所述第二子光束经过M次反射后引导至所述第二空间光调制器，其中M为大于等于2的偶数；

所述第二光学部用于将所述第一子光束经过N次反射后引导至所述第一空间光调制器，其中N为大于等于2的偶数。

3.根据权利要求2所述的投影光学系统，其特征在于，所述第一光学部包括有相邻设置的第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜与所述第二棱镜相邻接的表面为第一全反射面，所述第一棱镜中与所述第一全反射面相对设置的表面为第二全反射面，所述第二子光束依次经过所述第二全反射面和所述第一全反射面后被反射至所述第二空间光调制器。

4.根据权利要求3所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二光学部包括有相邻设置的第三棱镜和第四棱镜，所述第三棱镜与所述第四棱镜相邻接的表面为第三全反射面，所述第三棱镜中与所述第三全反射面相对设置的表面为第四全反射面，所述第一子光束依次经过所述第四全反射面和所述第三全反射面后被反射至所述第一空间光调制器。

5.根据权利要求4所述的投影光学系统，其特征在于，所述分光合光装置还包括第五棱镜，所述第五棱镜包括与所述第一棱镜的第二全反射面邻接的第一表面，和与所述照明光束的主光轴垂直的第二表面。

6.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述照明光束包括第一色光、第二色光和第三色光，所述分光面根据波长特性对所述第一色光透射，对所述第二色光和所述第三色光反射_，所述合光面根据所述波长特性对所述第一色光透射，对所述第二色光和所述第三色光反射。

7.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述投影光学系统还包括光学中继系统，所述光学中继系统位于所述光源与所述分光合光装置之间，用于使所述照明光束聚集至预定的范围内。

8.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述光源为偏振照明光源。

9.根据权利要求8所述的投影光学系统，其特征在于，所述分光面根据偏振特性将每个所述子光束分为所述第一子光束和所述第二子光束；所述合光面根据所述偏振特性将所述第一空间光调制器出射的所述第一子光束和所述第二空间光调制器出射的所述第二子光束合成所述出射光束。

10.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述照明光束中任意一个子光束在所述分光面的入射角小于所述分光面的全反射角。

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