一種3D投影鏡頭及投影設備的製作方法

2023-07-02 07:17:22

本實用新型涉及光學技術領域，具體涉及一種3D投影鏡頭及投影設備。

背景技術：

3D投影顯示以其生動、立體的顯示效果得到越來越廣泛的應用。影院中常用的投影儀為了實現3D效果，需要專門的3D設備，目前常用的3D設備可以利用起偏器將自然光屬性的圖像光轉變為線偏振光，然後通過時序調製的液晶器件將線偏振光轉變為時序的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，左旋圓偏振光和右旋圓偏振光分別為左眼圖像光和右眼圖像光，二者疊合從而實現3D效果。該過程當中，自然光經過起偏器會損失一半的光，然後經過液晶器件再損失一部分光，由此導致投影儀整體的光效比較低。

為了減少3D設備在起偏器位置損失的光，本領域人員開發了雙光路的3D系統，使得自然光屬性的圖像光經過PBS(polarization beam splitter，偏振分光稜鏡)稜鏡分成S光和P光，S光透射，P光反射，反射的P光經過偏振轉換器變為S光，兩束S光經過液晶器件變為時序的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，最終在屏幕上合成為左眼圖像光和右眼圖像光。然而，由於鏡頭設計需要考慮鏡頭的通用性，通常將PBS設置在鏡頭後方作為附加器件，這樣的設計方案會導致光束經過PBS稜鏡分光的效率不高，並且PBS稜鏡的體積需要做得比較大，使得製造成本過高。

還有一種現有技術，如CN102402018A的投影鏡頭如圖1所示，被數字微鏡器件301調製後的光經過Philips稜鏡和TIR稜鏡後出射，此時為非偏振光，該非偏振光經過中繼鏡組31，在偏極轉換系統32中成中繼影像，並被偏極轉換系統32轉化為偏振光，而後投影鏡頭33將中繼影像成像到屏幕上，由此實現了3D效果。在該技術方案中，將偏極轉換系統32設置在鏡頭之前，使得數字微鏡器件301到達鏡頭的距離更長，即鏡頭的BFL(back focal length)更長，使得鏡頭的設計和加工難度增大。同時，PBS稜鏡304放置於數字微鏡器件301出射光束的中間光路中，由於光束呈現發散狀態，PBS稜鏡304的體積也必須設計得比較大，整體結構也很複雜。

技術實現要素：

根據本實用新型的一方面，提供一種3D投影鏡頭，其包括前組鏡頭單元、分光單元、後組鏡頭單元，所述後組鏡頭單元至少包括第一後組鏡頭和第二後組鏡頭；所述前組鏡頭單元接收圖像光並將圖像光匯聚到所述分光單元；所述分光單元的用於分光的部分設置於所述3D投影鏡頭的孔徑光闌位置；所述分光單元接收來自所述前組鏡頭單元的圖像光，對圖像光進行分光從而得到多束光，所述多束光至少包括不同傳播方向的第一光和第二光；所述分光單元將第一光沿第一光徑引導出射至所述第一後組鏡頭，將第二光沿第二光徑引導出射至所述第二後組鏡頭；所述第一後組鏡頭、所述第二後組鏡頭分別處於第一光徑、第二光徑上；所述第一後組鏡頭接收第一光、所述第二後組鏡頭接收第二光並出射。

優選地，分光單元的設置使得圖像光在分光單元處的光束截面積小於等於孔徑光闌截面積。

優選地，第二後組鏡頭相對於第一後組鏡頭具有一定的光軸偏移，從而使得第一後組鏡頭出射的第一光和第二後組鏡頭出射的第二光在屏幕上重合。

優選地，分光單元包括偏振分光稜鏡，偏振分光稜鏡設置於3D投影鏡頭的孔徑光闌位置，用於將入射的圖像光分為具有第一偏振態的第一光和具有第二偏振態的第二光；3D投影鏡頭還包括偏振轉換組件，偏振轉換組件處於第一光徑或第二光徑上，用於將第一光轉換為第二偏振態，或將第二光轉換為第一偏振態，以使入射至第一後組鏡頭的第一光和入射至第二後組鏡頭的第二光具有相同的偏振態。

優選地，分光單元還包括反射鏡；反射鏡處於第二光徑，偏振分光稜鏡將第一光透射至第一後組鏡頭，將第二光反射至反射鏡，反射鏡接收來自偏振分光稜鏡的第二光並將其反射至第二後組鏡頭；或反射鏡處於第一光徑，偏振分光稜鏡將第二光反射至第二後組鏡頭，將第一光透射至反射鏡，反射鏡將第一光反射至第一後組鏡頭。

優選地，3D投影鏡頭還包括設置於第一後組鏡頭和第二後組鏡頭之後的時序偏振器件，時序偏振器件用於將來自第一後組鏡頭和第二後組鏡頭的第一光和第二光一起轉換成偏振狀態相同的時序偏振光並出射至屏幕；時序偏振光為偏振狀態隨時間變化的光，包括左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的時序偏振光、左旋橢圓偏振光和右旋橢圓偏振光的時序偏振光或者偏振方向相互垂直的兩個線偏振光的時序偏振光。

優選地，分光單元包括偏振分光稜鏡，偏振分光稜鏡設置於3D投影鏡頭的孔徑光闌位置，用於將入射的圖像光分為具有第一偏振態的第一光和具有第二偏振態的第二光，並將第一偏振態的第一光和第二偏振態的第二光分別經第一後組鏡頭和第二後組鏡頭出射至屏幕。

優選地，分光單元包括波長分光器件，波長分光器件設置於3D投影鏡頭的孔徑光闌位置，用於將入射的圖像光分為具有不同光譜範圍的第一光和第二光，並將具有不同光譜範圍的第一光和第二光分別經第一後組鏡頭和第二後組鏡頭出射至屏幕。

根據本實用新型的第二方面，提供一種3D投影設備，包括光源、光調製單元、上述3D投影鏡頭；光源的光束入射至光調製單元；光調製單元對來自光源的光束進行調製從而形成用於成像的圖像光，並將圖像光出射至3D投影鏡頭；3D投影鏡頭接收來自光調製單元的圖像光並分光為至少包括第一光和第二光的多束光，投射至屏幕，使光調製單元表面產生的圖像成像至屏幕。

優選地，單個光調製單元出射的圖像光的截面積小於等於孔徑光闌截面積。

本實用新型的3D投影鏡頭及3D投影設備，以孔徑光闌為界，通過將鏡頭分為前組鏡頭單元和包括第一後組鏡頭和第二後組鏡頭的後組鏡頭單元，使得一個前組鏡頭單元對應兩個後組鏡頭，將分光單元中用於分光的部分設置在投影鏡頭的光闌位置。一方面在投影鏡頭內部實現3D系統，減小了3D系統的體積，使得分光單元的體積達到最小，降低了成本；同時也避免了光調製器至投影鏡頭的距離過長，不必設置額外的中繼鏡組形成中間像，降低了鏡頭的設計難度，解決了實際問題。而且，將分光單元設置於孔徑光闌位置，相較於將分光單元設置於鏡頭後方，入射到分光單元的光的發射角度更小，有利於提高分光單元的光利用效率，從而提高了3D系統的光利用效率，增強了3D顯示亮度。

附圖說明

圖1為現有技術的投影鏡頭結構示意圖；

圖2為實施例一的3D投影設備示意圖；

圖3為實施例一的3D投影鏡頭示意圖；

圖4為實施例一的PBS稜鏡與孔徑光闌側視圖；

圖5為實施例一的PBS稜鏡與孔徑光闌正視圖；

圖6為實施例一的分光單元光學參數示意圖；

圖7為實施例二的3D投影設備示意圖。

具體實施方式

下面通過具體實施方式結合附圖對作進一步詳細說明。

實施例一：

如圖2所示，本實施例的3D投影設備包括光源301、分色合色單元、光調製單元和3D投影鏡頭308。

其中，光源301用於產生投影所需要的照明光，可以為燈泡、半導體固態發光器件、半導體固態發光器件與螢光材料的組合。

分色合色單元包括勻光部件302、中繼透鏡303、反光鏡304、TIR(total internal reflection，全內反射)稜鏡305、分光稜鏡組，本實施例的分光稜鏡組具體採用Philips稜鏡306；在本實用新型的其它實施方式中，本領域技術人員經合理設計光路結構，也可以不用設置勻光部件302、中繼透鏡303、反光鏡304、TIR稜鏡305等。

光調製單元可以包括一個或多個光調製器，本實施例的光調製單元具體包括藍光調製器307a、紅光調製器307b和綠光調製器307c。本實施例中的光調製器具體為DMD(Digital Micromirro Device，數字微鏡器件)，在本實用新型其他實施方式中，光調製器也可以為LCD、LCOS等其他光調製器。

在投影過程中，光源301向勻光部件302發出光束，勻光部件302對光束進行勻光處理並出射至中繼透鏡303，中繼透鏡303將光束匯聚到反光鏡304，光束經反光鏡304反射至TIR稜鏡305並經TIR稜鏡305進一步反射至Philips稜鏡306。

Philips稜鏡306對光束進行透射、反射以及折射，從而將光束分光為多束分光束，本實施例中束，經Philips稜鏡306分光後形成的藍光分光束出射至藍光調製器307a、紅光分光束出射至紅光調製器307b、綠光分光束出射至綠光調製器307c。

藍光調製器307a、紅光調製器307b、綠光調製器307c分別根據控制信號對藍光分光束、紅光分光束、綠光分光束進行調製，在各自的光調製器表面分別形成藍色圖像光、紅色圖像光和綠色圖像光，並各自將調製後的分光束反射回Philips稜鏡306，Philips稜鏡306通過對反射回的各分光束進行反射、透射等作用，從而將被調製後的藍光分光束、紅光分光束、綠光分光束匯聚並出射至3D投影鏡頭308。

在本實用新型的其它實施方式中，還可以設計為各光調製器對所接收的分光束進行調製後將其進行透射，被透射的分光束匯聚並出射至3D投影鏡頭。

在本實用新型投影設備中，投影鏡頭的作用是將光調製器表面形成的圖像光以成像的方式投射到屏幕上，也即將光調製器的表面成像到屏幕上。

如圖3所示，本實施例的3D投影鏡頭308包括前組鏡頭單元402、分光單元、後組鏡頭單元、液晶器件409，其中，分光單元包括PBS稜鏡403和反射鏡405，後組鏡頭單元包括第一後組鏡頭404和第二後組鏡頭406，PBS稜鏡403設置於3D投影鏡頭308的孔徑光闌位置，本實施例的PBS稜鏡403或者PBS稜鏡403與反射鏡405的組合即構成3D投影鏡頭內的3D系統。液晶器件409(例如液晶顯示器)為本實施例的時序偏振器件。時序偏振器件可以是一個整塊，也可以是兩塊拼接而成的。當然，本領域技術人員可知，也可以不必設置時序偏振器件。

在本實施例中，前組鏡頭單元402和第一後組鏡頭404、前組鏡頭單元402和第二後組鏡頭406分別組成兩個獨立的第一鏡頭和第二鏡頭，分別獨立的將光調製器的出光面成像到屏幕上。進一步的，該第一鏡頭和第二鏡頭的孔徑光闌位置重合。

本實施例所稱孔徑光闌，可以是透鏡邊緣/框架，也可以是一個獨立的光學元件，還可以是光路中的特定位置而非實物。孔徑光闌是從3D投影鏡頭整體設計來考慮的，其作用是控制物本身的發光孔徑角，因此可以合理地選定光路的某個特定位置作為孔徑光闌，也可以在該位置處設置獨立的光闌元件或透鏡邊緣。本領域技術人員通過分析設計投影鏡頭結構即可確定孔徑光闌的位置和大小。當孔徑光闌是獨立的光學元件時，其可以採用圖4中光徑光闌407的設置方式；當孔徑光闌是透鏡邊緣/框架時，則PBS稜鏡403應當與該邊緣足夠靠近，同樣符合本實用新型所稱的「PBS稜鏡403設置於3D投影鏡頭的孔徑光闌位置」的含義；當孔徑光闌是非實物的位置時，則為便於理解，可以參考圖4，將孔徑光闌407看做一個假象的結構，光束通過此位置時發光孔徑角受到限制。PBS稜鏡403的設置使得圖像光在PBS稜鏡403處的光束截面積小於等於孔徑光闌截面積。

為清楚描述，圖3中以光調製單元401表示投影設備中的藍光調製器307a、紅光調製器307b、綠光調製器307c。

在投影過程中，光束經光調製單元401出射的圖像光入射至前組鏡頭單元402，前組鏡頭單元402將圖像光匯聚到PBS稜鏡403。在本實用新型的實施方式中，光調製單元401與前組鏡頭單元402之間不存在中繼透鏡。本領域技術人員悉知，中繼透鏡獨立於投影鏡頭，光調製器經過中繼透鏡會產生一個中間像。而本實用新型的實施方式中，光調製單元的表面經過投影鏡頭成像到屏幕的過程中，不產生中間像。這樣既縮短了光調製器到投影鏡頭的距離，不必設置額外的中繼鏡組形成中間像，降低了鏡頭的設計難度。

如附圖1的對比文件所示，該技術方案利用中繼透鏡組將光調製器的出光面分別成像到兩個鏡頭的入口附近，然後分別利用兩個鏡頭將兩個中間像成像到屏幕上。該技術方案由於將PBS置於鏡頭之前，增加了光調製器到鏡頭入口的距離，不得不設置一中繼鏡組31將光調製器成像到鏡頭入口，以″光調製器的像″替代″光調製器的物″，從而才能使鏡頭成像質量提高。為此，該技術方案不僅犧牲了整體的體積、犧牲了成本，還因為增加了中繼透鏡組31造成了額外的光透過率損失和光收集損失。

本實施例的技術方案直接將光調製器置於鏡頭入口前方，將″光調製器的物″直接通過鏡頭成像到屏幕，在保證成像質量的情況下，避免了中間過程的光透光率損失和光收集損失，沒有因為增加PBS而額外增加其他成本。而且還重複利用了前組鏡頭單元402作為兩個鏡頭的共用部分，相對於其他雙鏡頭的技術方案降低了鏡頭成本。

PBS稜鏡403接收圖像光以紅光為例，PBS稜鏡403對紅光進行分光從而得到第一光和第二光，此時，第一光為具有第一偏振態的P光，第二光為具有第二偏振態的S光。第一光的傳播路徑為第一光徑，第二光的傳播路徑為第二光徑，第一後組鏡頭404、第二後組鏡頭406分別處於第一光徑、第二光徑上。第一後組鏡頭404與第二後組鏡頭406的光軸並不平行，第二後組鏡頭406需要一定的offset(光軸偏移)，且offset為可調，以適應不同的投影距離以及保證兩束光在屏幕上重合。

PBS稜鏡將P光沿第一光徑透射至第一後組鏡頭404，將S光沿第二光徑反射至反射鏡405。

本實施例還包括處於第二光徑上反射鏡405後的偏振轉換組件(圖中未示出)，被反射鏡405反射的S光經偏振轉換組件轉換成為P光並出射至第二後組鏡頭406。設置偏振轉換組件的目的是使入射至第一後組鏡頭404的第一光和入射至第二後組鏡頭406的第二光具有相同的偏振態，因此在其它的實施方式中，偏振轉換組件還可以處於第一光徑上，用於將第一光轉化為S光。

第一後組鏡頭404將第一光(P光)、第二後組鏡頭406將第二光(P光)出射至液晶器件409，第一光和第二光一起經液晶器件409後變為轉換成時序偏振光，該時序偏振光為偏振狀態隨時間變換的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光(即第一光和第二光在某個時間段一起被轉換為左旋圓偏振光，在第二個時間段被轉換為右旋圓偏振光，如此依時序循環)，從而再投射到屏幕上經疊合後實現3D效果。在本實用新型其它的實施方式中，還可以是第一光和第二光一起經液晶器件409後變為時序的左旋橢圓偏振光和右旋橢圓偏振光，或者偏振方向相互垂直的兩個線偏振光，也能實現3D效果。

如圖4和圖5所示，PBS稜鏡403設置於3D投影鏡頭308的孔徑光闌407位置，孔徑光闌407的口徑高度為D，來自空間光調製器的光其表示的物高為h，且D≥h。將PBS稜鏡403限制在孔徑光闌407範圍內的情況下，PBS稜鏡403可以做到和孔徑光闌407一般大小，這樣的設計使得PBS稜鏡403的體積達到最小。本領域技術人員應當理解，孔徑光闌407可以是圓形、方形或其它任何合理的形狀，不受圖4與圖5的限制。

PBS稜鏡403通過鍍膜實現反射與透射，其作用效果與入射光的發散角有關，圖像光發散角越大，PBS稜鏡的效果就越差，圖像光發射角越小，PBS稜鏡的效果就越好。需要注意的是，光發散角與光入射角是不同的概念，本領域技術人員討論光入射角進行設計光路時首先考慮的是光的主光軸，即如圖中所示，光入射角是以考慮主光軸入射角為45°左右入射到分光膜進行設計的，而光發散角是對光束以主光軸為中心向外發散的描述，即，在光束以主光軸與分光膜呈45°入射時，該光束中存在以40°或50°入射的光(此處僅為舉例說明，並非限定於此)。鍍膜的設計是基於主光軸方向設計的，其他角度的光在膜層中的光程與主光軸不同，因此會導致分光膜特性對其他角度的光不能很好的匹配，角度差別越大，即發散角越大，這種效應越明顯。

如圖6所示，從光調製單元401出射的圖像光面積為S1，光發射半角為α，經過前組鏡頭402後，在光闌407處匯聚通過，光闌的面積為S2，此處的光發射半角為β，光經過後組鏡頭405成像到屏幕408上，從後組鏡頭405出射的光束傾斜角為θ。

粗略估算，在假設圖像光為均勻的光分布的情況下，光束在孔徑光闌位置處的截面上的任意點都包含光調製單元401上任意像素點發出的圖像光，根據光學擴展量守恆，S1sin2α＝S2sin2β，其中，S1、α，S2、β是變量；一般地，α根據鏡頭F#的設計，為8°～18°，若S1與S2相等，則α＝β，β也為8°～18°，或者S2更大，這樣β會更小。在本實用新型的一個實施方式中，單個光調製單元出射的圖像光的截面積小於等於孔徑光闌截面積，使得光束在分光單元位置的發散角相對於光調製單元的發散角更小，從而提高了分光單元的效率。

θ的計算來自於鏡頭的投射比TR，TR＝1/2tanθ；影院投影儀鏡頭的投射比一般為1.0左右，θ為26。左右，而對於超短焦投影儀，投射比TR只有0.24，θ超過60°。在本實用新型的技術方案中，β相對於θ更小，在光闌407處放置PBS稜鏡，PBS稜鏡的效果也更好，效率更高。在現有技術中，在鏡頭後方設置PBS稜鏡，由於一旦光束從鏡頭出射，θ就確定不變了，如上述典型值θ超過26°乃至近70°，將導致入射到PBS稜鏡的光束的發散角非常大，PBS稜鏡的分光效果大打折扣，大量的光無法被利用，在鏡頭投射至屏幕過程中損失掉。而本實用新型的分光單元設置在孔徑光闌位置，入射光的發散角小，有利於提高分光單元的光利用效率，從而提高了3D系統的光利用效率，增強了3D顯示亮度。

在本實用新型的其它實施方式中，還可以是PBS稜鏡對第一光進行透射，對第二光進行反射，在第一光徑上設置反射鏡。PBS稜鏡將第一光透射至反射鏡，反射鏡將第一光反射至第一後組鏡頭；PBS稜鏡將第二光透射至第二後組鏡頭；第一後組鏡頭將第一光、第二後組鏡頭將第二光出射至屏幕，經疊合後呈現3D效果。

在本實用新型的其它實施方式中，分光單元為偏振分光稜鏡，偏振分光稜鏡設置於3D投影鏡頭的孔徑光闌位置，用於將入射的圖像光分為具有第一偏振態的第一光(P光)和具有第二偏振態的第二光(S光)，並將第一光和第二光出射至屏幕，用戶通過戴上合適的偏振片眼鏡即可體驗到3D效果。

本實用新型實施例一中，光調製單元包括3個光調製器，分別用於調製三種顏色。在本實用新型其他實施方式中，光調製單元也可以包括其他數量的光調製器。例如，在某一實施方式中，光調製單元至少包括一個光調製器，該光調製器通過調製依時序入射的彩色光(紅綠藍光、紅綠藍黃光)出射時序的圖像光。在另一實施方式中，光調製單元至少包括兩個光調製器，其中一個光調製器調製單色光(如紅綠藍中的任一種)，另一光調製器調製時序入射的彩色光(如紅綠藍中的剩餘兩種)，兩個光調製器分別出射的單色圖像光和時序圖像光經合光後形成彩色圖像。

實施例二：

如圖7所示，本實施例的3D投影設備包括光源601、勻光透鏡602、中繼透鏡603、反射鏡604、TIR稜鏡605、第一空間光調製器606a、第二空間光調製器606b、投影鏡頭607、屏幕608，本實施例的投影鏡頭607採用實施例一投影鏡頭的基本結構，也包括PBS稜鏡和反射鏡。TIR稜鏡將光束分光為兩束光，兩個空間光調製器各自對分光束進行調製形成左眼圖像光和右眼圖像光，左眼圖像光(P光)經過PBS稜鏡後透射，再經過第一後組鏡頭出射，通過1/4波片變為左旋圓偏振光，在屏幕上成為左眼圖像光；右眼圖像光(S光)經過PBS稜鏡後反射，再經第二後組鏡頭出射，通過1/4波片變為右旋圓偏振光，在屏幕上成為右眼圖像光，左眼圖像光與右眼圖像光在屏幕608上疊合，用戶通過戴上合適的偏振片眼鏡即可體驗到3D效果。

實施例三：

本實施例的3D投影設備採用實施例一的基本結構，與實施例一區別在於，本實施例的3D投影鏡頭將PBS稜鏡替換為波長分光器件，波長分光器件設置於3D投影鏡頭的孔徑光闌位置，用於將入射的圖像光分為具有不同光譜範圍的第一光和第二光。例如，圖像光為寬譜的RGB光，第一光和第二光分別為光譜不同的RGB光，並將第一光和第二光分別經第一後組鏡頭和第二後組鏡頭出射至屏幕經疊合，用戶通過戴上合適的偏振片眼鏡即可體驗到3D效果。波長分光器件的分光效率與入射光束的發散角的關係同樣遵循類似於偏振分光器件的分光效率與入射光束的發散角的關係。

本實用新型的3D投影鏡頭及3D投影設備，將3D系統即分光單元(如PBS稜鏡或者PBS稜鏡403與反射鏡405的組合)等集成到投影鏡頭內部，在前組鏡頭單元和後組鏡頭單元之間設置3D系統，通過本實用新型的技術方案，一方面在投影鏡頭內部實現3D系統，節省了3D系統的體積，並且分光單元設置在投影鏡頭的光闌位置，使得分光單元的體積達到最小，也避免了光調製器至投影鏡頭的距離過長，降低了鏡頭的設計難度，解決了實際問題；另一方面由於光束在光闌位置處的角度較小，使得分光單元具有更高的效率，提高了3D系統的出光效率，增強了3D亮度，對推進3D投影設備的進一步發展具有重要意義。

以上內容是結合具體的實施方式對所作的進一步詳細說明，不能認定的具體實施只局限於這些說明。對於所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換。