CN113260893B

CN113260893B - 光学系统

Info

Publication number: CN113260893B
Application number: CN202080007633.9A
Authority: CN
Inventors: 葛原聪; 内田恒夫
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2024-05-03
Anticipated expiration: 2040-04-10
Also published as: EP3955043A4; EP3955043A1; JP7493156B2; CN113260893A; WO2020209374A1; JPWO2020209374A1; US20210373305A1

Abstract

提供光学系统，该光学系统具备：具有入射面(15a)、出射面(15d)和第1反射面(15b)的棱镜(15)，在棱镜(15)的内部具有X方向的激光(R)的分量(Rx)的中间成像位置(Px)，中间成像位置(Px)和与X方向正交的Y方向的激光(Ry)的分量的中间成像位置(Py)不同。

Description

光学系统

技术领域

本公开涉及使用了棱镜的光学系统。

背景技术

专利文献1公开了具有在两个方向上分别进行扫描的扫描装置的光学系统。记载了该光学系统使用反射镜来传输扫描的激光。若使用反射镜来传输激光，则由于在反射镜间存在空气的层，因此难以使光学系统的尺寸小型化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2018-108400号公报

发明内容

发明要解决的课题

若为了使光学系统的尺寸小型化而将反射镜间用棱镜的媒介填埋，则在入射到棱镜的光的成像点存在棱镜内的瑕疵、尘土的情况下，激光有可能会消失。

本公开提供能实现尺寸的小型化且降低了棱镜内的瑕疵的影响的光学系统。

用于解决课题的手段

本公开的光学系统具备具有入射面、出射面和一个面以上的反射面的棱镜，在所述棱镜的内部具有第1方向的光束的第1中间成像位置，所述第1中间成像位置和与所述第1方向正交的第2方向的光束的第2中间成像位置不同。

本公开的光学系统具备具有入射面、出射面和一个面以上的反射面的棱镜，在所述棱镜的内部具有第1方向的光束的第1中间成像位置，与所述第1方向正交的第2方向的光束不进行中间成像。

发明效果

本公开中的棱镜能实现尺寸的小型化且能降低棱镜内的瑕疵的影响。

附图说明

图1是表示实施方式1中的光学系统的结构的截面图。

图2是表示实施方式1中刚刚从激光元件照射之后的激光的光瞳径的图。

图3是表示激光的X分量以及Y分量各自的中间成像位置的图。

图4是表示中间成像位置(Px)处的激光的光瞳径的图。

图5是表示中间成像位置(Py)处的激光的光瞳径的图。

图6是表示在棱镜出射的激光的光瞳径的图。

图7是表示激光的X分量的中间成像位置的图。

图8是表示实施方式2中的光学系统的结构的截面图。

图9是表示实施方式2的变形例中的光学系统的结构的截面图。

图10是表示实施方式2的变形例中的光学系统的结构的截面图。

图11是表示实施方式2的变形例中的光学系统的结构的截面图。

图12是表示分辨率的提升的说明图。

具体实施方式

以下适当参考附图来详细说明实施方式。但有时会省略必要以上的详细说明。例如，有时会省略已经广为人知的事项的详细说明、针对实质相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明变得不必要地冗长，使本领域技术人员的理解容易。

另外，发明者(们)为了本领域技术人员充分理解本公开而提供了附图以及以下的说明，但其意图并不在于由此来限定权利要求书记载的主题。

(实施方式1)

以下使用图1～图6来说明实施方式1。另外，在本实施方式中，如图2所示那样，例如X方向是从激光元件11出射的激光R的光瞳径11a的长径方向，Y方向是从激光元件11出射的激光R的光瞳径11a的短径方向。X方向以及Y方向相互正交，与XY平面正交的方向是Z方向。

[1-1.结构]

图1是表示本公开所涉及的光学系统1的结构的截面图。光学系统1具备激光元件11、第1扫描元件13、棱镜15和第2扫描元件17。

激光元件11例如是半导体激光器。从激光元件11照射的激光是光瞳径在X方向和Y方向上不同的平行光。例如如图2所示那样，刚刚从激光元件11照射之后的激光R的光瞳径11a具有在X方向上延伸的椭圆形。从激光元件11照射的激光R由第1扫描元件13在X方向上扫描，并入射到棱镜15的入射面15a。

第1扫描元件13在作为第1方向的X方向上扫描入射的激光。第1扫描元件13例如是通过压电驱动而以Y方向为旋转轴被旋转驱动的反射镜。第1扫描元件例如是垂直方向的扫描器。由此，使平行光在X方向上扩散。

棱镜15具有入射面15a和出射面15d。棱镜15在从入射面15a到出射面15d的光路间还具有一个面以上的反射面，在本实施方式中，例如具有第1反射面15b和第2反射面15c。入射面15a以及出射面15d例如具有平板形状。棱镜15例如是树脂制或玻璃制。

入射面15a与第1扫描元件13对置，由第1扫描元件13在X方向上扫描的激光R在通过入射面15a后向棱镜15内入射。入射面15a和第1反射面15b对置，从入射面15a入射的激光被第1反射面15b反射到棱镜15内。

在第1反射面15b反射的激光被与出射面15d对置配置的第2反射面15c再次反射到棱镜15内。在第2反射面15c反射的激光向出射面15d行进，从出射面15d向棱镜15外出射。

第1反射面15b以及第2反射面15c分别在作为第1方向的X方向和作为第2方向的Y方向上具有不同的曲率。因此，第1反射面15b以及第2反射面15c具有自由曲面形状。

另外，第1反射面15b以及第2反射面15c分别相对于入射光偏心。由此，不使用分束器等光学元件就能使入射光的光路分离。另外，第1反射面15b以及第2反射面15c分别相对于入射光具有凹面形状。

第2扫描元件17在Y方向上扫描从棱镜15出射的激光，并将其投影到投影面19。第2扫描元件17例如是通过压电驱动而以X方向为旋转轴被旋转驱动的反射镜。第2扫描元件17例如是水平扫描器。另外，第2扫描元件17与第1扫描元件13同步地进行扫描，由此能将二维图像投影到投影面19。

本实施方式的光学系统1按从激光元件11起的光路的顺序配置有第1扫描元件13、棱镜15的入射面15a、棱镜15的第1反射面15b、棱镜15的第2反射面15c、棱镜15的出射面15d和第2扫描元件17。因此，棱镜15配置于从第1扫描元件13往第2扫描元件17去的光路之间。

如图3所示那样，光学系统1在棱镜15内的第1反射面15b与棱镜15内的第2反射面15c之间，在激光R的光束的X方向上具有中间成像位置Px。中间成像位置Px并不相交于与Y方向的激光R的光束相同的位置，其中，Y方向与X方向正交。因此，中间成像位置Px处的激光R的光瞳径11c具有直线形状。

另外，由于激光R的X方向的分量即Rx和Y方向的分量即Ry的焦距也不同，因此激光R的X分量Rx的中间成像位置Px和Y分量Ry的中间成像位置Py不同。另外，由于X分量Rx和Y分量Ry各自的焦距不同，因此从棱镜15的出射面15d出射时的各自的放大率也不同。即，光学系统1在X方向和Y方向上具有不同的光学倍率。例如在本实施方式中，由于与X方向相比，Y方向的焦距更大，因此与X方向相比，Y方向的光学倍率更大。

激光R的X分量Rx的中间成像位置Px不会与激光R的Y分量Ry的中间成像位置Py成为相同的位置。由此，如图4所示那样，中间成像位置Px处的激光R的光瞳径11b具有在Y方向上延伸的直线形状。由此，在中间成像位置Px有尘土、瑕疵的情况下，能防止激光R的光瞳径11b消失。

另外，如图5所示那样，在激光R的Y分量Ry的中间成像位置Py，激光R的光瞳径11c在激光R的X分量Rx成像前就存在。如此地，中间成像位置Py处的激光R的光瞳径11c也具有在X方向上延伸的直线形状。另外，由于与X方向相比，Y方向的光学系统1的光学倍率更大，因此从出射面15d出射的激光R的光瞳径11d如图6所示那样形成为圆形形状。

从激光元件11出射的X方向的第1出射光瞳径φx1以及Y方向的第2出射光瞳径φy1与通过棱镜15的出射面15d后到达投射面19的X方向的第1投射光瞳径φx2以及Y方向的第2投射光瞳径φy2的关系是

0.1＜(φx1×φy1)/(φx2×φy2)＜0.8。

通过满足该关系，中间成像位置Px、Py处的点尺寸变大，能有效地减轻棱镜15的内部的尘土、瑕疵的影响。

另外，在本实施方式中，光学系统1具有Y方向的中间成像位置Py，但也可以如图7那样是在Y方向上不具有中间成像作用从而不存在中间成像位置Py的结构。在该情况下，可以将第1反射面15b的曲率设计成使得被第1反射面15b反射的激光R的Y分量Ry逐渐扩大。

另外，在本实施方式中，设为将第1扫描元件13作为垂直方向的扫描器且将第2扫描元件17作为水平方向的扫描器的组合，但也可以设为将第1扫描元件13作为水平方向的扫描器且将第2扫描元件17作为垂直方向的扫描器的组合。

另外，在本实施方式中，棱镜15具有第1反射面15b、第2反射面15c这两个面的反射面，但也可以仅具有第1反射面15b，还可以具有至少两个面以上的反射面。

[1-2.效果等]

实施方式1所涉及的光学系统1具备棱镜15，该棱镜15具有入射面15a、出射面15d和一个面以上的反射面15b、15c。在棱镜15的内部具有X方向的光束即激光R的X分量Rx的中间成像位置Px，中间成像位置Px和与X方向正交的Y方向的光束即激光R的Y分量Ry的中间成像位置Py不同。因此，即使假设在激光R的X分量Rx的中间成像位置Px存在瑕疵、尘土等，中间成像位置Px也会成为在Y方向上长的形状，因此能防止激光R的光瞳径11b消失，能减轻瑕疵、尘土的影响。另外，即使假设在激光R的Y分量Ry的中间成像位置Py存在瑕疵、尘土等，中间成像位置Py也会成为在X方向上长的形状，因此能防止激光R的光瞳径11c消失，能减轻瑕疵、尘土的影响。另外，通过使激光R通过棱镜内，能将光路长度缩短棱镜15的指标(index)的相应量，能使光学系统1小型化。

另外，实施方式1所涉及的光学系统1还具备：在X方向上扫描入射的光的第1扫描元件13；和在Y方向上扫描入射的光的第2扫描元件17，棱镜15配置于从第1扫描元件13往第2扫描元件17去的光路之间。通过由第1扫描元件13将光扫描到X方向的光束的朝向上，由第2扫描元件17将光扫描到Y方向的光束的朝向上，能配合扫描方向来调整光学倍率。

(实施方式2)

接下来使用图8来说明实施方式2。

[2-1.结构]

图8是表示实施方式2所涉及的光学系统1A的结构的图。如图8所示那样，本实施方式的光学系统1A在实施方式1的光学系统1中进一步具备像散补正元件31和屈光度补正元件33。关于这些相异点以外的结构，实施方式1所涉及的光学系统1和本实施方式的光学系统1A是共同的。

像散补正元件31配置于棱镜15的入射前或出射后的光路上。在本实施方式中，像散补正元件31配置于第1扫描元件13与棱镜15的入射面15a之间的光路上。像散补正元件31是在Y方向上有曲率且在X方向上基本没有曲率的元件。在像散补正元件31中，相比第1扫描元件13的扫描方向(X方向)的屈光力，与扫描方向垂直的方向(Y方向)的屈光力更大。

像散补正元件31例如具有圆柱形形状、环形形状、自由曲面形状或这些形状的组合。像散补正元件31可以是透镜，也可以是反射镜。像散补正元件31例如是圆柱形透镜。

屈光度补正元件33配置于棱镜15的入射前或出射后的光路上。在本实施方式中，配置于棱镜15的出射面15d与第2扫描元件17之间的光路上。屈光度补正元件33由于具有旋转对称的屈光力，因此能通过沿着光路移动来调整X方向以及Y方向这两个方向的分辨率。因此，通过沿着从出射面15d出射的激光R的光路进行移动，能调整X方向以及Y方向的分辨率。屈光度补正元件33例如是球面透镜或非球面透镜。

另外，像散补正元件31以及屈光度补正元件33的配置并不限定于图8所示的示例。例如，也可以如图9所示那样，将屈光度补正元件33配置于激光元件11与第1扫描元件13之间的光路上。另外，也可以如图10所示那样，将像散补正元件31配置于激光元件11与第1扫描元件13之间的光路上。另外，也可以如图11所示那样，将像散补正元件31和屈光度补正元件33配置于激光元件11和第1扫描元件的光路上。

另外，通过像散补正元件31的作用，在Y方向的中间成像位置位于第1扫描元件与棱镜15的入射面15a之间的情况下，也是即使假设在激光R的X分量Rx的中间成像位置Px的任意的点处有瑕疵、尘土等，也能得到防止激光R的X分量消失从而减轻瑕疵、尘土的影响的效果。

[2-2.效果等]

具备像散补正元件31的光学系统1A由于能调整X方向或Y方向中任一个方向的分辨率，因此能通过沿着从出射面15d出射的激光R的光路进行移动来补正X方向或Y方向的分辨率的偏差。

(其他实施方式)

如以上那样，作为本申请中公开的技术的例示，说明了实施方式1以及2。但本公开中的技术并不限定于此，还能运用于进行了变更、置换、附加、省略等的实施方式。另外，还能组合上述实施方式1以及2中说明的各构成要素来构成新的实施方式。

在实施方式1、2中，通过利用第1扫描元件13以及第2扫描元件17分别在X方向、Y方向上扫描从激光元件11出射的激光R来投射影像，但并不限定于此。也可以取代激光元件11而配置显示元件41，并省略第1扫描元件13以及第2扫描元件17。

根据该实施方式，如图12所示那样，能在提高显示元件41的分辨率的情况下投射到投射面19。另外，能改变X方向以及Y方向各自的分辨率的提高率。

如以上那样，作为本公开中的技术的例示而说明了实施方式。为此，提供了附图以及详细的说明。因此，在记载于附图以及详细的说明的构成要素中，不仅包含为了解决课题而必须的构成要素，还能为了例示上述技术而包含并非为了解决课题而必须的构成要素。因此，不应因为这些不是必须的构成要素记载于附图、详细的说明中而直接认定这些不是必须的构成要素是必须的。

另外，由于上述的实施方式用于例示本公开中的技术，因此能在权利要求书或其等同的范围内进行各种变更、置换、附加、省略等。

(实施方式的概要)

(1)本公开的光学系统具备具有入射面、出射面和一个面以上的反射面的棱镜，在棱镜的内部具有第1方向的光束的第1中间成像位置，第1中间成像位置和与第1方向正交的第2方向的光束的第2中间成像位置不同。

如此地，在棱镜内，由于第1方向的光束的第1中间成像位置不会成为第2方向的光束的第2中间成像位置，因此即使在棱镜内的第1方向的光束的第1中间成像位置的一部分存在瑕疵、尘土，也能减轻对第1方向的光束的影响。另外，通过使用棱镜，与使用反射镜相比，能缩短光路，因此能使光学系统小型化。

(2)本公开的光学系统具备具有入射面、出射面和一个面以上的反射面的棱镜，在棱镜的内部具有第1方向的光束的第1中间成像位置，与所述第1方向正交的第2方向的光束不进行中间成像。

如此地，在棱镜内，由于第1方向的光束的中间成像位置不会成为第2方向的光束的中间成像位置，因此即使在棱镜内的第1方向的光束的中间成像位置的一部分存在瑕疵、尘土，也能减轻对第1方向的光束的影响。另外，通过使用棱镜，与使用反射镜相比，能缩短光路，因此能使光学系统小型化。

(3)在(1)或(2)的光学系统中，具备：在第1方向上扫描入射的光的第1扫描元件；和在第2方向上扫描入射的光的第2扫描元件，棱镜配置于从第1扫描元件往第2扫描元件去的光路之间。

(4)在(1)到(3)的任一个光学系统中，在第1方向和第2方向上具有不同的光学倍率。因此，能分别在第1方向和第2方向上改变从棱镜出射的光束的倍率。

(5)在(1)到(4)的任一个光学系统中，与第1方向相比，第2方向的焦距更大。

(6)在(1)到(5)的任一个光学系统中，棱镜的反射面在第1方向和第2方向上具有不同的曲率。

(7)在(1)到(6)的任一个光学系统中，棱镜的反射面相对于入射光偏心。

(8)在(1)到(7)的任一个光学系统中，棱镜具有至少两个反射面。

(9)在(8)的光学系统中，至少两个反射面相对于入射光具有凹面形状。

(10)在(1)到(9)的任一个光学系统中，光学系统在第2方向上不具有中间成像作用。

(11)在(1)到(10)的任一个光学系统中，具备对棱镜的入射面照射激光的激光元件。

(12)在(11)的光学系统中，激光元件所照射的激光的光瞳径在第1方向和第2方向上不同。

(13)在(11)或(12)的光学系统中，从激光元件出射的第1方向的第1出射光瞳径φx1以及第2方向的第2出射光瞳径φy1与通过棱镜的出射面后到达投射面的第1方向的第1投射光瞳径φx2以及第2方向的第2投射光瞳径φy2的关系是0.1＜(φx1×φy1)/(φx2×φy2)＜0.8。

(14)在(3)的光学系统中，在棱镜的入射前或出射后的光路上具备像散补正元件，棱镜的反射面在第1方向和第2方向上具有不同的曲率。

(15)在(14)的光学系统中，在像散补正元件中，相比第1扫描元件的扫描方向的屈光力，与扫描方向垂直的方向的屈光力更大。

(16)在(14)或(15)的光学系统中，像散补正元件具有圆柱形形状、环形形状、自由曲面形状或这些形状的组合。

(17)在(16)的光学系统中，像散补正元件是透镜。

(18)在(16)的光学系统中，像散补正元件是反射镜。

(19)在(16)的光学系统中，具备配置于棱镜的入射前或出射后的光路上的屈光度补正元件。

(20)在(19)的光学系统中，屈光度补正元件具有旋转对称的屈光力。

(21)在(16)的光学系统中，具备对棱镜的入射面照射激光的激光元件。

(22)在(19)的光学系统中，屈光度补正元件配置于从所述激光元件往所述第1扫描元件去的光路上。

(23)在(20)或(22)的光学系统中，屈光度补正元件是球面透镜或非球面透镜。

(24)在(14)到(23)的任一个光学系统中，棱镜的反射面相对于入射光偏心。

工业可利用性

本公开能运用在使用了棱镜等折射光学系统的光学装置中。

附图标记说明

1 光学系统

11 激光元件

11a 光瞳径

13 第1扫描元件

15 棱镜

15a 入射面

15b 第1反射面

15c 第2反射面

15d 出射面

17 第2扫描元件

19 投射面

31 像散补正元件

33 屈光度补正元件

41 显示元件

Claims

1.一种光学系统，具备：

具有入射面、出射面和一个面以上的反射面的棱镜；和

对所述棱镜的入射面照射激光的激光元件，

从所述激光元件出射的激光的光瞳径的长径方向是第1方向，从所述激光元件出射的所述激光的光瞳径的短径方向是第2方向，所述第1方向以及所述第2方向相互正交，

所述第2方向的所述棱镜的光学倍率比所述第1方向的所述棱镜的光学倍率大，

在所述棱镜的内部具有：

所述第1方向的所述激光的光束的第1中间成像位置；和

与所述第1中间成像位置不同的、所述第2方向的所述激光的光束的第2中间成像位置，

激光的光束在第1中间成像位置不与第2方向交叉而与第1方向交叉，

激光的光束在第2中间成像位置不与第1方向交叉而与第2方向交叉，

所述第2中间成像位置位于比所述第1中间成像位置更靠所述入射面侧的位置。

2.一种光学系统，具备：

具有入射面、出射面和一个面以上的反射面的棱镜；和

对所述棱镜的入射面照射激光的激光元件，

所述第1方向的所述激光的光束的第1中间成像位置位于所述棱镜的内部，

激光的光束在所述第1中间成像位置不与第2方向交叉而与第1方向交叉，

不进行所述第2方向的所述激光的光束的中间成像，所述第2方向的所述激光的光瞳径逐渐扩大。

3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中，

所述光学系统具备：

在所述第1方向上扫描入射的光的第1扫描元件；和

在所述第2方向上扫描入射的光的第2扫描元件，

所述棱镜配置于从所述第1扫描元件往所述第2扫描元件去的光路之间。

4.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中，

与所述第1方向相比，所述第2方向的焦距更大。

5.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中，

所述棱镜的所述反射面在所述第1方向和所述第2方向上具有不同的曲率。

6.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中，

所述棱镜的所述反射面相对于入射光偏心。

7.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中，

所述棱镜具有至少两个所述反射面。

8.根据权利要求7所述的光学系统，其中，

至少两个所述反射面相对于入射光具有凹面形状。

9.根据权利要求5所述的光学系统，其中，

所述第1中间成像位置形成于所述激光在所述反射面的反射后。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其中，

从所述出射面出射的所述激光的光瞳径形成为圆形形状。

11.根据权利要求9或10所述的光学系统，其中，

从所述激光元件出射的所述第1方向的第1出射光瞳径φx1以及所述第2方向的第2出射光瞳径φy1与通过所述棱镜的出射面后到达投射面的所述第1方向的第1投射光瞳径φx2以及所述第2方向的第2投射光瞳径φy2的关系是

0.1＜(φx1×φy1)/(φx2×φy2)＜0.8。

12.根据权利要求3所述的光学系统，其中，

在所述棱镜的入射前或出射后的光路上具备像散补正元件，

13.根据权利要求12所述的光学系统，其中，

在所述像散补正元件中，相比所述第1扫描元件的扫描方向的屈光力，与所述扫描方向垂直的方向的屈光力更大。

14.根据权利要求12或13所述的光学系统，其中，

所述像散补正元件具有圆柱形形状、环形形状、自由曲面形状或这些形状的组合。

15.根据权利要求14所述的光学系统，其中，

所述像散补正元件是透镜。

16.根据权利要求14所述的光学系统，其中，

所述像散补正元件是反射镜。

17.根据权利要求14所述的光学系统，其中，

所述光学系统具备配置于所述棱镜的入射前或出射后的光路上的屈光度补正元件。

18.根据权利要求17所述的光学系统，其中，

所述屈光度补正元件具有旋转对称的屈光力。

19.根据权利要求17所述的光学系统，其中，

所述屈光度补正元件配置于从所述激光元件往所述第1扫描元件去的光路上。

20.根据权利要求18或19所述的光学系统，其中，

所述屈光度补正元件是球面透镜或非球面透镜。

21.根据权利要求12或13所述的光学系统，其中，

所述棱镜的反射面相对于入射光偏心。

22.一种光学系统，具备具有入射面、出射面和一个面以上的反射面的棱镜，

入射到所述棱镜的激光的光瞳径的长径方向是第1方向，入射到所述棱镜的所述激光的光瞳径的短径方向是第2方向，所述第1方向以及所述第2方向相互正交，

在所述棱镜的内部具有：

第1方向的光束的第1中间成像位置；和

与所述第1中间成像位置不同的、与所述第1方向正交的第2方向的光束的第2中间成像位置，

通过所述第2中间成像位置位于比所述第1中间成像位置更靠所述入射面侧的位置，从而相比所述第1方向的光学倍率，所述第2方向的光学倍率更大。