CN114730092A - 光学系统及图像投影装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学系统(300)包括配置为发射照射光的光源(101)、光学调制元件(103)及光学元件(102A、102B)，光学调制元件(103)具有多个反射面(103A)，入射光(250)通过多个反射面在不同方向反射，光学元件(102A、102B)具有界面(102b)，从光源(101)发射的照射光通过上述界面(102b)作为入射光(250)发射到光学调制元件(103)，通过界面将由光学调制元件(103)在第一方向反射的第一出射光(200)引导至投影面(400)。多个反射面(103A)中的每一个相对于光学调制元件(103)的表面(103S)倾斜，对入射光(250)进行反射，形成第一出射光(200)，光学调制元件(103)的表面(103S)相对于界面(102b)倾斜。

Description

光学系统及图像投影装置
技术领域
本发明涉及光学系统及图像投影装置。
背景技术
当反射镜(质量块：反射镜表面)的两个边缘设有不用作衍射光栅的光栅结构时，该反射镜使光偏转(例如，参见专利文献1)，本领域已知一种图像显示设备，其具有近似D形的光圈，该光圈对用作反射调制元件的数字微镜装置(DMD)上的入射光与反射光在上方向上重叠的部分以角度区域切断。如果去除了干涉区域，则该光圈的形状为“D”。
本领域已知一种投影显示装置，其中色度调制光阀、中继透镜和DMD配置为满足沙姆普弗鲁克(Scheimpflug)原理(参见例如专利文献2)。
引文列表
专利文献
【专利文献1】日本专利申请公开No.2003-315733
【专利文献2】日本专利申请公开No.2005-242163
发明内容
技术问题
根据本发明的一个方面，提供了一种光学系统和图像投影装置，其中可以减少不必要的光的影响。
解决问题的方案
一种光学系统，包括：光源，配置为发射照射光；光学调制元件，具有多个反射面，入射光通过这些反射面在不同方向反射；以及光学元件，具有界面，从所述光源发射的照射光透过所述界面，作为入射光发射到所述光学调制元件，并将由所述光学调制元件在第一方向反射的第一出射光引导至投影面。在光学系统中，所述多个反射面中的每一个相对于所述光学调制元件的表面倾斜，对入射光进行反射，作为所述第一出射光，并且，所述光学调制元件的表面相对于所述界面倾斜。在光学系统中，所述多个反射面中的每一个相对于所述光学调制元件的表面倾斜的方向等同于所述光学调制元件的表面相对于所述界面倾斜的方向。
本发明的效果
根据本发明的一个方面，提供了一种光学系统和图像投影装置，其中可以减少不必要的光的影响。
附图说明
附图旨在描述本发明的示例实施例，而不应被解释为限制其范围。除非明确说明，否则附图不应视为按比例绘制。而且，相同或相似的附图标记在若干视图中表示相同或相似的组件。
图1是表示根据本发明的实施例的图像投影装置的截面图。
图2是表示如图1所示的图像投影装置中的光学调制元件的详细配置或结构的图。
图3是表示根据本发明的上述实施例的比较示例的如图1所示的图像投影装置的截面图。
图4是表示根据本发明的上述实施例的比较示例的图3中所示的图像投影装置中的光学调制元件的详细配置或结构的图。
图5是表示根据本发明的上述实施例的改进示例的如图1所示的图像投影装置的截面图。
图6是表示根据本发明的上述实施例的改进示例的图5中所示的图像投影装置中的光学调制元件的详细配置或结构的图。
具体实施方式
图1是表示根据本发明的实施例的图像投影装置300的截面图。
图像投影装置300是一台前置投影仪，并且将图像投影到屏幕400上。假设在车辆上使用了这种根据本发明的图像投影装置。那么，由于没有指明有所限制，则根据本发明的图像投影装置可用于各种目的或装置。例如，根据本发明的图像投影装置可以安装在摩托车或飞机上。
如图1所示，作为光学系统的图像投影装置300包括光源101、照明光学系统301、场透镜17、一对光学元件102A和102B、光学调制元件103和投影光学系统104，以及将图像投影到用作投影面的屏幕400上。
光源101包括与红(R)、蓝(B)、绿(G)这三种颜色一一对应的三个彩色光源11R、11B和11G，以及一对二向色镜12和13，其中将反射光的波长和透射光的波长预先设定。
照明光学系统301包括从光路的上游侧按顺序隔开排列的蝇眼透镜14、场透镜15和反射镜16，并且从光源101发射的照射光250通过场透镜17被引导至光学元件102A和102B。
一对光学元件102A和102B中的每一个均由具有至少一对平面的棱镜构成为最佳。在本实施例中，一对光学元件102A和102B中的每一个均由全反射三角棱镜单元(所谓的全内反射(TIR)棱镜单元)构成。光学元件102B具有界面102b，照射光250穿过该界面被作为入射光250发射到光学调制元件103。
光学调制元件103基于图像数据调制入射光250。光学调制元件103由数字微镜装置(DMD)构成，该数字微镜装置(DMD)具有由多个微镜组成的近似矩形的镜面，并且基于输入的图像数据分时驱动上述多个微镜。其结果是，对光进行处理和反射，从而获得基于图像数据的图像。
投影光学系统104包括从光路的上游侧按顺序隔开排列的第一透镜104A、第二透镜104B和第三透镜104C。
在上述配置中，由照明光学系统301发出的照射光250通过一对光学元件102A和102B，并穿过光学元件102B的界面102b作为入射光250发射到光学调制元件103。
通过光学调制元件103分时驱动多个微镜，形成在入射光250反射为第一方向的第一出射光200的状态和入射光250反射为与第一方向不同的第二方向的第二出射光的状态之间的切换。
光学元件102B对由光学调制元件103在第一方向反射后通过界面102b的第一出射光200进行反射，并射出由光学调制元件103在第二方向反射的第二出射光。
由光学元件102B反射的第一出射光200被引导至投影光学系统104，作为基于图像数据形成图像的发亮光束，而由光学调制元件103在第二方向反射的第二出射光处理为不形成任何图像的不发亮光束。由于第二出射光射入例如结构颗粒和光吸收带，因此，可以防止其进一步反射。
投影光学系统104将第一出射光200投影到屏幕400上，从而根据接收到的图像数据形成图像。例如，屏幕400由微透镜阵列(MLA)构成。
在本实施例中，屏幕400的表面400S、投影光学系统104的主平面和光学调制元件103的表面103S配置为满足Scheimpflug原理。由于这种排列，当由第一出射光200形成的图像投影到屏幕400的表面400S时，可以减少模糊的可能性。
图2是表示根据本实施例的如图1所示的图像投影装置300中的光学调制元件103的详细配置或结构的图。
光学调制元件103具有多个反射面103A，这些反射面是本实施例中的多个数字微镜装置(DMDs)，并且多个反射面103A中的每一个相对于光学调制元件103的表面103S顺时针倾斜角度θ。通过这种结构，入射光250反射，形成第一出射光200射出。投影光学系统104接收第一出射光200的范围由附图标记104d表示。
当多个反射面103A中的每一个设为平行于光学调制元件103的表面103S时，入射光250反射，形成第二出射光射出。
此外，光学调制元件103的表面103S相对于光学元件102B的界面102b顺时针方向倾斜角度α，以满足Scheimpflug原理。
由于上述结构，多个反射面103A中的每一个相对于光学元件102B的界面102b在顺时针方向倾斜角度θ+α。因此，入射光250与第一出射光200所形成的角度可以通过2(θ+α)计算。
在本实施例中，大部分照射光250透过光学元件102B的界面102b，作为入射光250发射到光学调制元件103。然而，一部分照射光250由光学元件102B的界面102b反射为反射光251。
在本实施例中，由于入射光250与第一出射光200形成的角度为2(θ+α)，因此反射光251与第一出射光200形成的角度也可以通过2(θ+α)计算。换而言之，与光学调制元件103的表面103S平行于光学元件102B的界面102b即α＝0时相比，在本实施例中反射光251与第一出射光200形成的角度大。
由于光学调制元件103的表面103S相对于光学元件102B的界面102b倾斜以满足Scheimpflug原理，因此可以降低反射光251入射到投影光学系统104上的可能性。通过这种结构，可以减少反射光251作为杂散光或不必要的光错误地投射到屏幕400上的可能性。
换而言之，根据本实施例，可以实现以下两种减少。即，当将由第一出射光200形成的图像投影到屏幕400的表面400S上时，可以减少模糊的可能性，并且可以减少反射光251作为杂散光或不必要的光错误地投射到屏幕400上的可能性。尽管相关技术中需要遮光件或遮光机构，但在本实施例中，可以在没有遮光件的情况下减少杂散光或不必要的光。因此，在本实施例中，可以实现高光输出和高分辨率。
图3是表示根据本发明的上述实施例的比较示例的如图1所示的图像投影装置300的截面图。
如图3所示的屏幕400的表面400S相对于如图1所示的屏幕400的表面400S在相反方向上倾斜，并且，如图3所示的光学调制元件103的表面103S也相对于如图1所示的光学调制元件103的表面103S在相反方向上倾斜。其结果是，屏幕400的表面400S、投影光学系统104的主平面和光学调制元件103的表面103S配置为满足Scheimpflug原理。除屏幕400和光学调制元件103之外，本发明的上述实施例的本比较示例的配置或结构与图1中所示的本发明的上述实施例的配置或结构相同。
图4是表示根据本发明的上述实施例的比较示例的如图3所示的图像投影装置300中的光学调制元件103的详细配置或结构的图。
以与图2类似的方式，使多个反射面103A中的每一个相对于光学调制元件103的表面103S顺时针方向倾斜角度θ。其结果是，入射光250反射，形成第一出射光200射出。
相比之下，在本发明的上述实施例的本比较示例中，与图2中所示的配置不同的是，光学调制元件103的表面103S相对于光学元件102B的界面102b在逆时针方向上倾斜角度α。
由于上述的本比较示例的结构，多个反射平面103A中的每一个相对于光学元件102B的界面102b顺时针方向的倾斜角度为θ-α。因此，入射光250与第一出射光200所形成的角度可以通过2(θ-α)计算。
在本比较示例中，入射光250与第一出射光200形成的角度通过以下式计算：-2(θ-α)。那么，反射光251与第一出射光200形成的角度可以计算为2(θ-α)，且该角度小于当光学调制元件103的表面103S平行于光学元件102B的界面102b即α＝0时的角度。
由于这种结构，当光学调制元件103的表面103S相对于光学元件102B的界面102b倾斜以满足Scheimpflug原理时，反射光251入射到投影光学系统104上的可能性增加，随之增加了反射光251作为杂散光或不必要的光错误地投射到屏幕400上的可能性。
换而言之，根据本发明的上述实施例的本比较示例，当第一出射光200形成的图像投影到屏幕400的表面400S上时，可以降低模糊的可能性，但是，不能降低反射光251作为杂散光或不必要的光错误地投射到屏幕400上的可能性。此外，为了减少杂散光或不必要的光，入射光250需要阻挡相当于角度2α的量。因此，在本发明的上述实施例的本比较示例中，很难同时实现高光输出和高分辨率。
图5是表示根据本发明的上述实施例的改进示例的如图1所示的图像投影装置300的截面图。
以类似于上文中参考图3所示的本发明的上述实施例的比较示例的方式，如图5所示的屏幕400的表面400S相对于如图1所示的屏幕400的表面400S向相反方向倾斜。在图5所示的图像投影装置300中，将如图1所示的图像投影装置300倒置，并且如图5所示的光学调制元件103的表面103S也相对于如图1所示的光学调制元件103的表面103S向相反方向倾斜。
其结果是，屏幕400的表面400S、投影光学系统104的主平面和光学调制元件103的表面103S根据Scheimpflug原理排列。
图6是表示根据本发明的上述实施例的改进示例的如图5所示的图像投影装置300中的光学调制元件103的详细配置或结构的图。
由于图1所示的图像投影装置300在图5所示的图像投影装置300中被倒置，在如图6所示的本发明的上述实施例的改进示例中，参考上文将图2所示的根据本发明的上述实施例的配置或结构颠倒过来。
因此，在本发明的上述实施例的本改进示例中，以与参考上文如图2所示的本发明的实施例类似的方式，使得多个反射面103A中的每一个相对于光学调制元件103的表面103S倾斜的方向与光学调制元件103的表面103S相对于界面102b倾斜的方向等同。
通过这样的结构，使光学调制元件103的表面103S相对于光学元件102B的界面102b倾斜以满足Scheimpflug原理时，可以降低反射光251入射到投影光学系统104上的可能性，并且可以减少反射光251作为杂散光或不必要的光错误地投射到屏幕400上的可能性。
换而言之，根据本发明上述实施例的本改进示例，可以实现以下两种减少。即，当将由第一出射光200形成的图像投影到屏幕400的表面400S上时，可以减少模糊的可能性，并且可以减少反射光251作为杂散光或不必要的光错误地投射到屏幕400的可能性。
如上所述，根据本发明的实施例的用作光学系统的图像投影装置300具备光学调制元件103和光学元件102B。光学调制元件103具有多个反射面103A，通过该反射面入射光250在不同方向反射，并且光学元件102B具有界面102b，从光源发射的照射光透过该界面作为入射光250发射到光学调制元件103。此外，通过界面102b，将由光学调制元件103在第一方向反射的第一出射光200引导至用作投影面的屏幕400。多个反射面103A中的每一个相对于光学调制元件103的表面103S倾斜角度θ，对入射光250进行反射，形成第一出射光200，并且光学调制元件103的表面103S相对于光学元件102B的界面102b倾斜角度α。此外，多个反射面103A中的每一个相对于光学调制元件103的表面103S倾斜的方向与光学调制元件103的表面103S相对于光学元件102B的界面102b倾斜的方向等同。
通过这样的结构，入射光250与第一出射光200形成的角度可以加大，且反射光251与第一出射光200形成的角度也加大，该反射光251是从光源101发射的照射光250的一部分，是被界面102b反射的而不是透过界面102b的。其结果是可以减少反射光251作为杂散光或不必要的光错误地投射到屏幕400上的可能性。
反射面103A由数字微镜装置(DMD)构成，光学元件102B由棱镜构成为最佳。
用作光学系统的图像投影装置300具备投影光学系统104，通过该投影光学系统104，已透过光学元件102B的第一出射光200投影到屏幕400上。通过这种结构，可以减少反射光251入射到投影光学系统104上的可能性，并且可以减少反射光251作为杂散光或不必要的光错误地投射到屏幕400上的可能性。
屏幕400的表面400S、投影光学系统104的第一透镜104A、第二透镜104B和第三透镜104C的主平面和光学调制元件103的表面103S配置为满足Scheimpflug原理。在这种结构中，可以实现以下两种减少。即，当将由第一出射光200形成的图像投影到屏幕400的表面400S上时，可以减少模糊的可能性，并且可以减少反射光251作为杂散光或不必要的光错误地投射到屏幕400上的可能性。
根据如上所述，许多额外的修改和变化是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求书的范围内，本发明的公开可以在本文具体描述之外实施。例如，在本发明和所附权利要求书的范围内，不同说明性实施例的元件和/或特征可以相互组合和/或相互替换。例如，可以移除上述实施例中描述的一些元件。此外，可以根据不同的实施例或修改的元件进行适当地组合。
本专利申请基于2019年11月19日在日本专利局提交的日本专利申请2019-208382号，并要求其优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
附图标记列表
101 光源
102B 光学元件
102b 界面
103 光学调制元件
103A 反射面
103S 表面
104 投影光学系统
104A 第一透镜
104B 第二透镜
104C 第三透镜
200 第一出射光
250 照射光(入射光)
300 图像投影装置
301 照明光学系统
400 屏幕(投影面)
400S 表面

Claims (6)

1.一种光学系统，包括：
光源，配置为发射照射光；
光学调制元件，具有多个反射面，入射光通过这些反射面在不同方向反射；以及
光学元件，具有界面，从所述光源发射的照射光透过所述界面，作为入射光发射到所述光学调制元件，并将由所述光学调制元件在第一方向反射的第一出射光引导至投影面，
其中，所述多个反射面中的每一个相对于所述光学调制元件的表面倾斜，对所述入射光进行反射，作为所述第一出射光，
其中，所述光学调制元件的表面相对于所述界面倾斜，以及
其中，所述多个反射面中的每一个相对于所述光学调制元件的所述表面倾斜的方向等同于所述光学调制元件的所述表面相对于所述界面倾斜的方向。
2.根据权利要求1所述的光学系统，
其中，所述多个反射面中的每一个是数字微镜装置。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，
其中，所述光学元件是棱镜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，
进一步包括具有至少一个透镜的投影光学系统，
其中，通过所述光学元件的所述第一出射光通过所述至少一个透镜投射到所述投影面。
5.根据权利要求4所述的光学系统，
其中，所述投影面、所述投影光学系统的所述至少一个透镜和所述光学元件配置成满足沙姆普弗鲁克原理。
6.一种图像投影装置，包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的光学系统。
CN202080079915.XA 2019-11-19 2020-11-04 光学系统及图像投影装置 Active CN114730092B (zh)

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