專利名稱：光學(xué)透鏡裝置、投影系統(tǒng)及成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)成像設(shè)備，特別是涉及一種光學(xué)透鏡裝置、投影系統(tǒng)及成像設(shè)備。
背景技術(shù)：
投影儀也稱投影機(jī)，是通過(guò)光學(xué)組件以精確的放大倍率將物像放大投影在投影屏上以供觀察的設(shè)備。在投影系統(tǒng)中，常將透鏡陣列作為用于使光束形狀均勻化或整形的光集成器使用。透鏡的集光率E表征播發(fā)的光的面積和角度，簡(jiǎn)單定義為折射率η、立體角 Ω和面積六的函數(shù)，(^ = 112(^2(^。在投影系統(tǒng)中，光源越大通常意味著集光率E越大，這需要越大孔徑的投射透鏡。圖1和圖2展示了傳統(tǒng)投影系統(tǒng)在使用不同孔徑的投影透鏡的光傳播效果，如圖1、2所示，由光源11射出的光線依次經(jīng)照明光學(xué)系統(tǒng)12、圖像發(fā)生器 13、投影鏡頭14后，在投射到屏幕15上。其中，圖1表示在投影系統(tǒng)使用了較大孔徑的投影透鏡，對(duì)應(yīng)較大的集光率，圖2表示在投影系統(tǒng)使用較小孔徑的投影透鏡，對(duì)應(yīng)較小的集光率。通常，在透鏡陣列前的光束成整面分布，出透鏡陣列后的光束成分塊分布，在透鏡陣列出口端，與在透鏡陣列入口端相比，需要在更大的區(qū)域上收集光才能獲得同樣的能量，這就意味需要采用更大的孔徑投影透鏡在透鏡陣列出口端收集光能量。但是，大孔徑的投影透鏡通常難以設(shè)計(jì)和制造，成本更高，且不利于投影系統(tǒng)的小型化。因此，考慮改善作為光集成器的光學(xué)透鏡陣列的集光功效，來(lái)避免因制作大孔徑的投影透鏡帶來(lái)的問(wèn)題。美國(guó)專利申請(qǐng)US2006/0044799A1公開(kāi)了將透鏡陣列中的部分單元呈一定角度的發(fā)散型的布置形式。美國(guó)專利US6527393公開(kāi)了一種具有改進(jìn)形狀的陣列單元的透鏡陣列。另外，美國(guó)專利申請(qǐng)2010/016Μ70Α1提出在將光線導(dǎo)至DMD透鏡前，使用具有一定形狀單元的透鏡陣列來(lái)預(yù)整形光線。然而，現(xiàn)有技術(shù)在改善光學(xué)透鏡陣列的集光效率上仍存在很大不足。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的主要目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光學(xué)透鏡裝置，借此可以較小光孔徑的透鏡實(shí)現(xiàn)較高的光效率，光學(xué)元件容易制造且成本低。另一目的是提供一種具有所述光學(xué)透鏡裝置的投影系統(tǒng)。又一目的是提供一種具有所述光學(xué)透鏡裝置的成像設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案一種光學(xué)透鏡裝置，包括允許光線透過(guò)的中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域，所述中央?yún)^(qū)域形成有透鏡陣列，所述周邊區(qū)域具有光滑表面。所述周邊區(qū)域可以具有球形或非球形的截面。組成所述透鏡陣列的陣列單元可以是矩形或六邊形。所述周邊區(qū)域可以是矩形或六邊形或圓形。所述裝置的光學(xué)透鏡材料可以為PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或PC(聚碳酸脂)或玻璃。[0012]所述透鏡陣列可以為矩形排列、環(huán)形排列或發(fā)散型排列。一種投影系統(tǒng)，其特征在于，包括光源，光學(xué)透鏡裝置，其包括允許光線透過(guò)的中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域，所述中央?yún)^(qū)域形成有透鏡陣列，所述周邊區(qū)域具有光滑表面；光調(diào)制器，所述光源發(fā)射的光經(jīng)過(guò)所述光學(xué)透鏡裝置成像在所述光調(diào)制器表面； 和投影鏡頭，用于將所述光調(diào)制器上的調(diào)制光信號(hào)成像在屏幕上。所述周邊區(qū)域可以具有球形或非球形的截面。組成所述透鏡陣列的陣列單元可以是矩形或六邊形。所述周邊區(qū)域可以是矩形或六邊形或圓形。一種成像設(shè)備，包括前述任一種的光學(xué)透鏡裝置。本實(shí)用新型有益的技術(shù)效果是采用本實(shí)用新型，使用孔徑較小的投影透鏡就能獲得以往需要使用較大孔徑的透鏡才能獲得光效率；由此，使得投影透鏡更容易制造且制作成本更低；可采用更廉價(jià)的PBS (偏振分光棱鏡)；可使系統(tǒng)獲得更高光效率，典型地，系統(tǒng)效率較以往可增加約11. 2% ；可獲得更小的光引擎尺寸；可保持較低的加工成本。

圖1表示在投影系統(tǒng)使用較大孔徑的投影透鏡；圖2表示在投影系統(tǒng)使用較小孔徑的投影透鏡；圖3表示出現(xiàn)有的透鏡陣列；圖4表示出本實(shí)用新型一種實(shí)施例中的透鏡陣列和透鏡周邊區(qū)域；圖5為圖4所示實(shí)施例的截面視圖；圖6表示出采用傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡陣列時(shí)的光孔徑；圖7表示出采用本實(shí)用新型一種實(shí)施例時(shí)的光孔徑。
具體實(shí)施方式
以下通過(guò)實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。圖1和圖2展示了傳統(tǒng)投影系統(tǒng)在使用不同孔徑的投影透鏡的光傳播效果。如圖 1、2所示，由光源11射出的光線依次經(jīng)照明光學(xué)系統(tǒng)12、圖像發(fā)生器13、投影鏡頭14后，在投射到屏幕15上。其中，圖1表示在投影系統(tǒng)使用了展度較大的光源，故需使用較大孔徑的投影透鏡，對(duì)應(yīng)較大的集光率，圖2表示在投影系統(tǒng)使用展度較小的光源，可以用較小孔徑的投影透鏡，對(duì)應(yīng)較小的集光率。圖2中使用了一個(gè)常規(guī)的透鏡陣列，該器件均勻照明的原理是與光軸平行的光束通過(guò)第一排透鏡后聚焦在第二排透鏡中心處，第一排復(fù)眼透鏡將光源形成多個(gè)光源像進(jìn)行照明，第二排復(fù)眼透鏡的每個(gè)小透鏡將第一排復(fù)眼對(duì)應(yīng)的小透
4鏡重疊成像于照明面上。由于第一排復(fù)眼透鏡將光源分為多個(gè)細(xì)光束照明，且每個(gè)細(xì)光束范圍內(nèi)的微小不均勻性由于處于對(duì)稱位置光束的互相疊加，使細(xì)光束的微小不均勻性獲得補(bǔ)償，從而使整個(gè)孔徑內(nèi)的光能量得到有效均勻利用。從第二排復(fù)眼出射的光斑的每一點(diǎn)均收到光源所有點(diǎn)發(fā)出的光線照射，同時(shí)，光源上每一點(diǎn)發(fā)出的光束又都會(huì)重疊到照明光斑的統(tǒng)一視場(chǎng)范圍內(nèi)，所以得到一個(gè)均勻的長(zhǎng)方形光斑。圖3顯示了已知的透鏡陣列。請(qǐng)參閱圖4和圖5，根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，光學(xué)透鏡裝置包括允許光線透過(guò)的中央?yún)^(qū)域101和周邊區(qū)域102，包括多個(gè)透鏡單元的一個(gè)透鏡陣列形成在所述中央?yún)^(qū)域，所述周邊區(qū)域具有光滑表面。中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域都設(shè)置光學(xué)孔徑以允許一定比例的光通過(guò)。在一些實(shí)施例中，所述周邊區(qū)域可以具有球形或非球形的截面。在一些實(shí)施例中，組成所述透鏡陣列的透鏡單元可以是矩形或六邊形。 在一些實(shí)施例中，所述周邊區(qū)域可以是矩形或六邊形或圓形。在一些實(shí)施例中，所述光學(xué)透鏡裝置的光學(xué)透鏡材料可以為PMMA或PC等塑料，也可以是玻璃。在一些實(shí)施例中，所述透鏡陣列可以為矩形排列、環(huán)形排列或呈現(xiàn)從中部向四周發(fā)散形態(tài)的發(fā)散型排列。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的成像設(shè)備，可以具有前述任一實(shí)施例的光學(xué)透鏡裝置。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的投影系統(tǒng)，可以具有前述任一實(shí)施例的光學(xué)透鏡裝置。如圖6所示的投影系統(tǒng)，根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要采用較大光學(xué)孔徑的投影透鏡在透鏡陣列出口端用于收集光能量。在投影系統(tǒng)中，光線依次由光源101、第一光學(xué)透鏡組件 102、透鏡陣列裝置103、第二光學(xué)透鏡組件104投射至屏幕15上。其中，透鏡陣列裝置103 為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，圖中以圓圈部分表示出不存在具有光滑表面的周邊區(qū)域的透光效果，集光效率較低。參閱圖7，本實(shí)用新型的投影系統(tǒng)包括光源、光學(xué)透鏡裝置、光調(diào)制器及投影鏡頭。 在一個(gè)實(shí)施例的投影系統(tǒng)中，所述光源101發(fā)射的光依次經(jīng)過(guò)第一光學(xué)透鏡組件102、光學(xué)透鏡裝置203和第三光學(xué)透鏡組件204，在第三光學(xué)透鏡組件204中，由光學(xué)透鏡裝置203 射出的光成像在光調(diào)制器表面，再經(jīng)投影鏡頭后將所述光調(diào)制器上的調(diào)制光信號(hào)成像在屏幕105上。光學(xué)透鏡裝置203包括允許光線透過(guò)的中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域，所述中央?yún)^(qū)域形成有透鏡陣列，所述周邊區(qū)域具有光滑表面，從而獲得改善的集光效率。因此，在圖7所示的投影系統(tǒng)中，由于光學(xué)透鏡裝置203設(shè)置了具有透鏡陣列的中央?yún)^(qū)域和表面光滑的周邊區(qū)域(圖中以圓圈部分突出表示)，使用較小孔徑的投影透鏡也能收集較多光能量，保證了較高的光效率且更易制作。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種光學(xué)透鏡裝置，其特征在于，包括允許光線透過(guò)的中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域，所述中央?yún)^(qū)域形成有透鏡陣列，所述周邊區(qū)域具有光滑表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)透鏡裝置，其特征在于，所述周邊區(qū)域具有球形或非球形的截面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)透鏡裝置，其特征在于，組成所述透鏡陣列的陣列單元是矩形或六邊形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)透鏡裝置，其特征在于，所述周邊區(qū)域是矩形或六邊形或圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)透鏡裝置，其特征在于，所述裝置的光學(xué)透鏡材料為 PMMA或PC或玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)透鏡裝置，其特征在于，所述透鏡陣列為矩形排列、 環(huán)形排列或發(fā)散型排列。
7.一種投影系統(tǒng)，其特征在于，包括光源，光學(xué)透鏡裝置，其包括允許光線透過(guò)的中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域，所述中央?yún)^(qū)域形成有透鏡陣列，所述周邊區(qū)域具有光滑表面；光調(diào)制器，所述光源發(fā)射的光經(jīng)過(guò)所述光學(xué)透鏡裝置成像在所述光調(diào)制器表面；和投影鏡頭，用于將所述光調(diào)制器上的調(diào)制光信號(hào)成像在屏幕上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，所述周邊區(qū)域具有球形或非球形的截面。
9.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，組成所述透鏡陣列的陣列單元是矩形或六邊形。
10.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，所述周邊區(qū)域是矩形或六邊形或圓形。
11.一種成像設(shè)備，其特征在于，包括根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的光學(xué)透鏡裝置。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種光學(xué)透鏡裝置，包括允許光線透過(guò)的中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域，一個(gè)透鏡陣列形成在所述中央?yún)^(qū)域，所述周邊區(qū)域具有光滑表面。采用本實(shí)用新型的光學(xué)透鏡裝置，通過(guò)較小孔徑的投影透鏡就能實(shí)現(xiàn)較高的光效率，容易制造且成本低。
文檔編號(hào)G03B21/14GK202196192SQ20112034158
公開(kāi)日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者湯偉平 申請(qǐng)人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司