CN115598906A - 投影系统 - Google Patents

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Abstract

一种投影系统。所述投影系统包括：一光源、一液晶面板、一照明镜组、一图像镜组以及一光圈。所述光源，用以发出一照明光束，经所述照明镜组入射所述液晶面板。所述液晶面板，用以接收所述照明光束，并将所述照明光束转换为一图像光束，所述图像光束经图像镜组后，经过所述光圈离开投影系统。所述照明镜组依序包括一准直镜组、一复眼透镜、一接继透镜、一线偏振片、一偏振分光棱镜、以及一聚光镜。所述图像镜组依序包括所述聚光镜、所述偏振分光棱镜、一四分之一波片、一球面反射镜、所述四分之一波片、以及所述偏振分光棱镜后，经由一光圈离开所述投影系统。

Description

投影系统
技术领域
本发明涉及一种投影系统。
背景技术
相对于传统是体积庞大的投影机，微型投影机具有高亮度，体积小等优点，因此具有广泛应用潜力，例如使用于外接式微型投影机或整合于头戴式显示设备，例如扩增实境(Augmented Reality，AR)眼镜内。通过进一步缩小微型投影机的体积，将可有效提高使用者的便利性与舒适度。
发明内容
本发明的一实施例中提供一种投影系统，包括：一光源、一液晶面板、一照明镜组、一图像镜组以及一光圈，其中所述光源，用以发出一照明光束，经所述照明镜组入射所述液晶面板，所述液晶面板，用以接收所述照明光束，并将所述照明光束转换为一图像光束，所述图像光束经图像镜组后，经过所述光圈离开投影系统，其中所述照明镜组依序包括一准直镜组、一复眼透镜、一接继透镜、一线偏振片、一偏振分光棱镜、以及一聚光镜，其中所述图像镜组依序包括所述聚光镜、所述偏振分光棱镜、一四分之一波片、一球面反射镜、所述四分之一波片、以及所述偏振分光棱镜后，经由一光圈离开所述投影系统。
根据本发明的一些实施例，所述光源为矩阵式发光二极管。
根据本发明的一些实施例，所述准直镜组为一非球面透镜。
根据本发明的一些实施例，所述准直镜组包括两片透镜，其中所述两片透镜的屈亮度皆为正，并且所述两片透镜皆为平凸透镜。
根据本发明的一些实施例，所述复眼透镜为塑料透镜。
根据本发明的一些实施例，所述复眼透镜的折射率为1.4～1.6。
根据本发明的一些实施例，所述复眼透镜具有多个微结构单元，所述多个微结构单元的每一个为矩形球面镜。
根据本发明的一些实施例，所述投影系统满足1≤所述矩形球面镜的长宽比≤所述液晶面板的长宽比。
根据本发明的一些实施例，所述投影系统满足所述复眼透镜的厚度＝所述微结构单元的有效焦距*所述复眼透镜的折射率。
根据本发明的一些实施例，所述投影系统满足100<复眼透镜微结构单元数量<125。
根据本发明的一些实施例，所述接继透镜具有正屈亮度。
根据本发明的一些实施例，所述接继透镜为平凸透镜。
根据本发明的一些实施例，所述聚光镜具有正屈亮度。
根据本发明的一些实施例，所述聚光镜为双面非球面镜。
根据本发明的一些实施例，所述球面反射镜为平凸面镜，所述平凸面镜的反射面镀有高反射镀膜。
根据本发明的一些实施例，所述投影系统满足10毫米<系统长度<30毫米，其中所述系统长度为所述准直镜组的入光面至所述光圈的距离。
根据本发明的一些实施例，所述光圈的大小为3～4毫米。
根据本发明的一些实施例，所述投影系统满足|图像镜组有效焦距|≤|照明镜组有效焦距|。
在本发明实施例所述的投影系统中，通过使投影系统中的照明光路与成像光路共享部分光学组件，可以有效缩小投影系统体积，降低制作成本。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的投影系统的示意图；
图2是根据本发明的实施例的复眼透镜的示意图；
图3A与图3B是图1中所示投影系统的像差曲线；
图4是根据本发明的另一实施例的投影系统的示意图；
图5是根据本发明的另一实施例的投影系统的示意图。
符号说明
10A、10B、10C：投影系统
100：光源
110、110A：准直镜组
111、112、113：透镜
120：复眼透镜
122：微结构单元
130：接继透镜
140：线偏振片
150：偏振分光棱镜
160：聚光镜
161、162：面
170：液晶面板
180：四分之一波片
190：球面反射镜
200：光圈
210：棱镜
220：投影面
L1：照明光束
L2：图像光束
具体实施方式
下文列举实施例并配合附图来进行详细的说明，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围。此外，所绘附图中的组件尺寸是为说明方便而绘制，并非代表其实际的组件尺寸比例。而且，虽然文中使用如“第一”、“第二”等来描述不同的组件和/或膜层，但是这些组件和/或膜层不应当受限于这些用语。而是，这些用语仅用于区别一组件或膜层与另一组件或膜层。因此，以下所讨论的第一组件或膜层可以被称为第二组件或膜层而不违背实施例的教示。为了方便理解，下文中相似的组件将以相同的符号标示来说明。
本发明实施例的说明中不同范例可能使用重复的参考符号和/或用字。这些重复符号或用字是为了简化与清晰的目的，并非用以限定各个实施例和/或所述外观结构的关系。再者，若是本说明书以下的揭示内容叙述了将第一特征形成于一第二特征之上或上方，即表示其包含了所形成的上述第一特征与上述第二特征是直接接触的实施例，还包含了将附加的特征形成于上述第一特征与上述第二特征之间，而使上述第一特征与上述第二特征可能未直接接触的实施例。为了方便理解，下文中相似的组件将以相同的符号标示来说明。
图1是根据本发明的实施例的投影系统的示意图。请参考图1。投影系统10A，包括：光源100、液晶面板170、照明镜组、图像镜组以及光圈200。
投影系统10A的光路如下：光源100用以发出照明光束L1，经照明镜组入射液晶面板170。液晶面板170用以接收照明光束L1，并将照明光束L1转换为图像光束L2。由液晶面板170所发出的图像光束L2经图像镜组后，经过光圈200离开投影系统10A，投射到投影面220上。
因此投影系统10A依光路区分，可以分为由光源100经照明镜组到液晶面板170的照明光路，与由液晶面板经图像镜组到光圈200的图像光路两部分。以下分别对照明光路与图像光路进行说明。
光源100用以发出照明光束L1。在一些实施例中，光源100用以同时发出多种不同波长的色光。在一些实施例中，光源100可同时发出三种以上的波长的色光，例如波长为是624纳米、522纳米、455纳米的色光，但本公开并不以此为限。在一些实施例中，光源100可为RGGB式的矩阵式发光二极管，用以分别发出红光、绿光与蓝光。每一RGGB式的矩阵式发光二极管单元包括四个发光二极管，包括一个红光发光二极管、两个绿光发光二极管以及一个蓝光发光二极管，即红光发光二极管、绿光发光二极管、蓝光发光二极管的数量为1:2:1。在其他实施例中，光源100也可以是有机发光二极管、量子点光源或是其他具有类似性质者，本公开并不以此为限。
由光源100所发出的照明光束入射照明镜组，最后入射液晶面板170。如图1所示，照明镜组依序包括准直镜组110、复眼透镜120、接继透镜130、线偏振片140、偏振分光棱镜150、以及聚光镜160。
准直镜组110包括两片透镜111、112，两片透镜，即透镜111与透镜112，的屈亮度皆为正，并且透镜111与透镜112皆为平凸透镜。在本实施例中，透镜111与透镜112的入光面为平面，出光面为非球面。通过透镜111与透镜112的组合，准直透镜110用以将光源100所发出的照明光线L1进行准直以入射复眼透镜120。
经准直透镜110准直后的照明光线L1入射复眼透镜120。复眼透镜120用以将入射的准直照明光线L1重新分配，以达到均匀光源目的。
关于复眼透镜120的结构，请参考图2。图2是根据本发明的实施例的复眼透镜的示意图。复眼透镜120具有多个微结构单元122。在一些实施例中，多个微结构单元122的每一个为矩形球面镜，用以将由准直透镜110进入的经准直后的照明光束L1重新分配，以提高照明光束L1的利用率并使照明光束L1产生大面积的均匀分布。
当照明光束L1入射复眼透镜120时，照明光束L1同时入射复眼透镜120的多个微结构单元122。在本实施例中，由于每个微结构单元122均为一矩形球面镜，因此可将入射微结构单元122的照明光束L1分别形成一矩形光斑。而所有微结构单元122所形成的矩形光斑迭加之后，会在同一视场范围内迭加以形成一亮度均匀的矩形照明光束。由此，复眼透镜120可以用以将照明光束L1转换成亮度均匀的矩形照明光束。
通过微结构单元122的分布与数量，可以控制照明光束L1的形状，换言之，可依实际需求决定微结构单元122的数量与分布关系。根据一些实施例，复眼透镜120的微结构单元为矩形分布，但本公开并不以此为限。根据一些实施例，复眼透镜120的微结构单元122的数量满足以下关系：100<复眼透镜120微结构单元122数量<125，但也可依实际需求而有不同的数量，本公开并不以此为限。
在一些实施例中，复眼透镜120可为塑料透镜或具有类似性质的材质，以减轻系统重量。在一些实施例中，复眼透镜120的折射率为1.4～1.6，但也可依实际应用需求而具有不同的折射率，本公开并不以此为限。
在一些实施例中，复眼透镜120的厚度t满足以下关系式：复眼透镜120的厚度t＝微结构单元122的有效焦距*复眼透镜120的折射率。
请再次参考图1。照明光束L1离开复眼透镜120后，入射接继透镜130。在本实施例中，接继透镜130具有正屈亮度，且接继透镜130为平凸透镜。接继透镜130用以汇聚照明光束L1以入射线偏振片140。
照明光束L1经接继透镜130入射线偏振片140。由光源100所产生的色光并没有特定的偏振方向。当照明光束L1入射线偏振片140时，线偏振片140会使照明光束L1的偏振方向成为S偏振，并入射偏振分光棱镜150。
偏振分光棱镜150(polarized beam splitter，PBS)可反射带有S偏振的入射光，或使带有P偏振的入射光穿透。由于入射的照明光束L1通过线偏振片140时为带有S偏振的入射光，因此，偏振分光棱镜150反射照明光束L1，并入射聚光镜160。
聚光镜160用以汇聚入射的照明光束L1，使汇聚后的照明光束L1入射液晶面板170。在本实施例中，聚光镜160具有正屈亮度。在本实施例中，聚光镜160为双面非球面镜，也就是聚光镜160的两个表面均为非球面，其中两个表面分别为不同的非球面。
在本实施例中，聚光镜160的面161及162均是非球面，而这些非球面是依下列公式(1)定义：
Figure BDA0003932847130000061
Y：非球面曲线上的点与光轴I的距离；
Z：非球面深度，即非球面上距离光轴I为Y的点，与相切于非球面于光轴上顶点的切面，两者间的垂直距离；
R：透镜表面的曲率半径；
K：圆锥系数；
a2i：第2i阶非球面系数。
上述非球面在公式(1)中的各项非球面系数如下表一所示。其中，表一中栏位编号161表示其为聚光镜160的面161的非球面系数，栏位编号162表示其为聚光镜160的面162的非球面系数。
表一：
面 K a<sub>4</sub> a<sub>6</sub> a<sub>8</sub> a<sub>10</sub> a<sub>12</sub>
161 1.55E+01 4.05E-03 -6.08E-04 8.84E-05 -5.72E-06 1.41E-7
162 0-6.96E+00 7.22E-03 -7.93E-04 1.04E-04 -6.58E-06 1.60E-7
照明光束L1经聚光镜160入射液晶面板170。在本实施例中，液晶面板170为硅基液晶式(liquid crystal on silicon，LCOS)面板。通过对液晶面板170施加适当电压，可控制液晶面板170中各像素对照明光束L1的反射程度，以由此产生图像光束L2，进而达到控制图像的作用。
在本实施例中，液晶面板170为矩形。当照明光束L1通过复眼透镜120时，照明光束L1会经复眼透镜120的微结构单元122而使照明光束L1整形成为截面为矩形的照明光束L1。为了提高液晶面板170接收照明光束L1的效率，投影系统10A满足以下条件，即1≤微结构单元(即矩形球面镜)122的长宽比≤液晶面板170的长宽比。根据此条件，可使照明光束L1的截面的长宽比等于或小于液晶面板170的长宽比，以提高提高液晶面板170接收照明光束L1的效率。
另一方面，当带有S偏振的照明光束L1入射液晶面板170时，液晶面板170改变照明光束L1的偏振方向，使由液晶面板170所发出的图像光束L2的偏振方向由原本照明光束L1的S偏振变成P偏振。
由液晶面板170所发出的图像光束L2入射照明镜组，最后经光圈200离开投影系统10A，投射到投影面220上。如图1所示，图像镜组依序包括聚光镜160、偏振分光棱镜150、四分之一波片180、球面反射镜190、四分之一波片180、以及偏振分光棱镜150。
由液晶面板170所发出的图像光束L2经聚光镜160入射偏振分光棱镜150。由于图像光束L2的偏振方向为P偏振，因此图像光束L2可穿透偏振分光棱镜150。
穿透偏振分光棱镜150的图像光束L2入射四分之一波片180。当图像光束L2通过四分之一波片180时，图像光束L2的相位被延迟π/4，相当于将相位延迟1/4波长。
通过四分之一波片180的图像光束L2入射球面反射镜190。在本实施例中，球面反射镜190为平凸面镜，平凸面镜的反射面，即凸面，镀有高反射镀膜，用以反射图像光束L2。
经球面反射镜190反射的图像光束L2再次入射四分之一波片180。此时再次通过四分之一波片180的图像光束L2的相位再次被延迟π/4，相当于将相位延迟1/4波长。因此通过两次四分之一波片180的图像光束的相位相当于合计被延迟π/2，相当于将相位延迟1/2波长。此时，原本由液晶面板170所发出的带有P偏振的图像光束L2在通过两次四分之一波片180后，变成带有S偏振的图像光束L2。
当带有S偏振的图像光束入射偏振分光棱镜150时，偏振分光棱镜150反射图像光束L2，使图像光束入射光圈200，离开投影系统10A，投射到投影面220上。在本实施例中，光圈200的大小为3～4毫米。
因此，如图1所示，聚光镜160与球面反射镜190将由液晶面板170所发出的图像光束L2投射至投影面上。
在投影系统10A中，照明光路与图像光路共享了部分光学组件，包括偏振分光棱镜150以及聚光镜160，因此有效缩短光路，进而缩小投影系统10的长度与体积。在本实施例中，投影系统10A满足10毫米<系统长度<30毫米，其中系统长度为准直镜组110的入光面至光圈200的距离。因此可
此外，在本实施例中，投影系统10A满足以下关系：|图像镜组有效焦距|≤|照明镜组有效焦距|。
图3A与图3B是图1中所示投影系统的像差曲线。参照图3A至图3B，图3A当光波长为656nm、587nm、486nm时在成像面上有关弧矢(Sagittal)方向的场曲(Field Curvature)像差(虚线部分)及子午(Tangential)方向的场曲像差(实线部分)，图3B的图式则说明当光波长为656nm、587nm、486nm时在投影面220上的畸变像差(Distortion Aberration)。
在图3A的二个场曲像差图中，上述三种代表波长在整个视场范围内的场曲像差落在±0.1毫米内，说明本实施例的光学系统能有效消除像差。而图3B的畸变像差图则显示本实施例的畸变像差维持在±2％的范围内，说明本实施例的畸变像差具备光学系统的成像质量要求，可提供良好的成像质量。
图4是根据本发明的另一实施例的投影系统的示意图。图4所示的投影系统10B与图1所示的投影系统10A相似，因此相似部分不再赘述。差异处在于图4中具有一棱镜210，位于接继透镜130与线偏振片140之间。离开接继透镜130的照明光束L1入射棱镜210后，经棱镜210反射后，以与入射方向不同的出射方向入射线偏振片140。因此，通过在照明光路中配置棱镜210，可以改变照明光路的方向，进而改变投影系统的长宽比。此外，更可通过棱镜210使照明光束L1的光路旋转至任意角度，以适应实际应用需求。
图5是根据本发明的另一实施例的投影系统的示意图。图5是根据本发明的另一实施例的投影系统的示意图。图5所示的投影系统10C与图1所示的投影系统10A相似，因此相似部分不再赘述。差异处在于，相对于图1中的准直镜组110，图5中的准直镜组110A仅具有一透镜113。在本实施例中，准直镜组110A的透镜113为非球面透镜，其中入射面为平面，出光面为非球面。在一些实施例中，透镜113的屈亮度为正。在一些实施例中，透镜113为平凸透镜。通过减少准直镜组110A的透镜数目，可以更进一步缩短照明光路，进而减小投影系统的总长度。
本发明的实施例所述的投影系统，通过使投影系统中的照明光路与成像光路共享部分光学组件，可以有效缩小投影系统体积，降低制作成本。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求范围及其均等范围所界定的为准。

Claims (18)

1.一种投影系统，其特征在于，包括：
光源、液晶面板、照明镜组、图像镜组以及光圈，其中
所述光源，用以发出照明光束，经所述照明镜组入射所述液晶面板，
所述液晶面板，用以接收所述照明光束，并将所述照明光束转换为图像光束，所述图像光束经图像镜组后，经过所述光圈离开投影系统，
其中所述照明镜组依序包括准直镜组、复眼透镜、接继透镜、线偏振片、偏振分光棱镜、以及聚光镜，
其中所述图像镜组依序包括所述聚光镜、所述偏振分光棱镜、四分之一波片、球面反射镜、所述四分之一波片、以及所述偏振分光棱镜后，经由光圈离开所述投影系统。
2.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光源为矩阵式发光二极管。
3.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述准直镜组为非球面透镜。
4.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述准直镜组包括两片透镜，其中所述两片透镜的屈亮度皆为正，并且所述两片透镜皆为平凸透镜。
5.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述复眼透镜为塑料透镜。
6.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述复眼透镜的折射率为1.4～1.6。
7.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述复眼透镜具有多个微结构单元，所述多个微结构单元的每一个为矩形球面镜。
8.根据权利要求7所述的投影系统，其特征在于，所述投影系统满足1≤所述矩形球面镜的长宽比≤所述液晶面板的长宽比。
9.根据权利要求7所述的投影系统，其特征在于，所述投影系统满足所述复眼透镜的厚度＝所述微结构单元的有效焦距*所述复眼透镜的折射率。
10.根据权利要求7所述的投影系统，其特征在于，所述投影系统满足100<复眼透镜微结构单元数量<125。
11.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述接继透镜具有正屈亮度。
12.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述接继透镜为平凸透镜。
13.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述聚光镜具有正屈亮度。
14.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述聚光镜为双面非球面镜。
15.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述球面反射镜为平凸面镜，所述平凸面镜的反射面镀有高反射镀膜。
16.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述投影系统满足10毫米<系统长度<30毫米，其中所述系统长度为所述准直镜组的入光面至所述光圈的距离。
17.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光圈的大小为3～4毫米。
18.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述投影系统满足|图像镜组有效焦距|≤|照明镜组有效焦距|。
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