专利名称：光束整形器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学领域，特别是涉及一种应用于投影系统中的光束整形器。
背景技术：
随着投影技术的发展，投影系统广泛地应用于人们的工作和学习中。目前，投影系统中的光路系统通常包括光源、第一光学单元、显像单元、第二光学单元以及投影屏幕。其中，第一光学单元包括曲面反射镜、平面反射镜、透镜等光学元器件，用于对来自光源的光线进行处理，并输出至显像单元。第二光学单元包括透镜、镜头等光学元器件，用于对来自显像单元的光线进行处理，并输出至投影屏幕。在实际使用中，所述镜头通常由多个透镜组成。
现有的投影系统中，为了使光源发出的光线集中向一个方向(朝向显像单元的方向)投射，常采用第一光学单元中的曲面反射镜来反射光源发出的光线。目前，由于受加工条件的限制，通常采用的曲面反射镜为回转体(旋转体)形态。这样，光源发出的光线经第一光学单元的曲面反射镜反射后，得到的光束在垂直于光轴方向的截面均呈圆形，而且中心的亮度比边缘的亮度高。这样的光束经过第一光学单元中其他光学元器件处理后，投射到显像单元时，在垂直于光轴方向的截面同样呈圆形，并且中心的亮度可能仍然比边缘的亮度高。
由于来自第一光学单元的光束(即投射到显像单元的光束)在垂直于光轴方向的截面呈圆形，而显像单元的显像面通常为矩形，例如LCD(liquidcrystal display，液晶显示器)的显像面通常是边长为4×3或16×9的矩形。因此，若要让圆形光束全部都投射到矩形显像面内，则势必会使得显像面上的部分区域不能被光束照射到，从而使得该部分区域不能显像；若要让整个显像面都覆盖在圆形光束的投影中，则必然会使得光束中部分光线投射到矩形显像面以外而圆形以内的区域，由于该部分光线无法进入显像面，造成了光线的浪费，这样将导致光线的利用效率(以下简称光效)较低。
请参阅图1，是圆形光束在显像面所在平面的投影示意图。其中，A区表示光束在矩形显像面上的投影区域；B区表示在同一投影平面上，光束在矩形显像面之外的投影区域。
根据投影区域不同，可以将圆形光束中的光线分为下述两部分投射到矩形显像面之内的光线称为A区光线；投射到矩形显像面之外的光线称为B区光线。A区光线因投射到矩形显像面之内而可以被利用，称为有效光线；B区光线因投射到矩形显像面之外，不能被利用而被浪费掉，称为无效光线。
请参阅图2a，来自光源的光线经反射镜1反射后，光束在垂直于轴线方向上的各个截面为圆形，故而所述光束称为圆形光束。将光线反射后形成圆形光束的反射镜1，俗称为圆杯反射镜。所述圆形光束在显像面所在平面的投影区域为图1所示的A区和B区。
采用圆杯反射镜反射光源发出的光线，常常会使得圆形光束中的部分光线无法投射到矩形显像面之内，而是直接投射到矩形显像面之外的B区，由于该区域(特别是显像面周边区域)中常安装有电子元器件，若长期接受光线的照射，该区域的温度会升高，从而使得电子元器件因长期承受较高温度而容易损坏。
为此，人们试图对现有的光路系统进行改进，以减少投射到B区的光线、降低B区的温度，进而延长B区中电子元器件的使用寿命。
请参阅图2b，将图2a所示的圆杯反射镜1上反射B区光线的相应镜面部分去除掉，形成反射镜2。经反射镜2反射的光束在垂直于轴向方向上的截面均近似为方形，因此，反射镜2俗称方杯反射镜。在实际应用中，只要调整好光路，则来自第一光学单元中方杯反射镜2的光束可以正好完全覆盖矩形显像面，也就是经方杯反射镜2反射的光束在显像面所在平面的投影与图1中的A区重合，这样，就不会有光线投射到B区，也就不会导致B区温度升高，从而延长了该区域中电子元器件的使用寿命。
虽然，在目前的投影系统中，采用方杯反射镜不会导致显像面周边的温度升高，不易造成电子元器件的损坏，从而延长投影系统的使用寿命。但是，采用方杯反射镜的投影系统仍旧未能克服采用圆杯反射镜的投影系统在下述方面所存在缺陷其一，光效较低。目前，采用圆杯反射镜的投影系统中，来自第一光学单元的光束中只有A区光线可以到达显像单元的显像面(A区)而被利用，而B区光线不能投射到显像面，只能投射到显像面之外的B区，因此B区光线不能被利用，只能白白浪费。这样导致光效较低。采用方杯反射镜的投影系统中，只有能够进入方杯反射镜的反射面的光线，才可以被反射并投射向显像单元；而其他光线因无法进入方杯反射镜的反射面，而不能到达后续光路中，因而不能被利用，这同样导致了光效较低。
其二，光线均匀度较低。现有技术中，由于第一光学单元中采用的曲面反射镜通常为回转体形态(圆杯和方杯反射镜均如此)，因而，经过曲面反射镜反射后的光束中间亮度较高，边缘亮度较低，光线的均匀度较低。这样，光束在显像面上的投影可能仍然是中间亮度高，边缘亮度低，均匀度较低。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种光束整形器，能够提高投影系统的光效和光线均匀度。
为此，本发明解决技术问题的技术方案是提供了一种光束整形器，应用于投影系统中，所述投影系统至少包括光源、第一光学单元和显像单元，光源发出的光线经第一光学单元处理后，投射到显像单元，所述显像单元具有显像面，所述光束整形器设置于第一光学单元和显像单元之间，包括光线入口、光线出口以及反射镜；所述反射镜至少提供两个朝向光轴的反射面。
所述光线入口大于光线出口。
所述光线入口小于光线出口。
所述反射镜是平面反射镜。
所述反射镜是曲面反射镜。
所述光线出口和显像单元之间设置透镜。
所述光束整形器包括两两相对设置的四个梯形平面反射镜，所述梯形平面反射镜的反射面朝向光轴。
所述梯形平面反射镜靠近显像单元一端的边长等于或大于显像面对应的边长；所述梯形平面反射镜远离显像单元一端的边长大于或等于来自第一光学单元的光束的直径。
所述光束整形器的中心轴线与光轴重合，所述梯形平面反射镜以光轴为中心对称设置。
所述光束整形器的中心轴线与光轴不重合，所述梯形平面反射镜不对称设置。
相对于现有技术，本发明的有益效果是第一，光效高。本发明光束整形器设置于第一光学单元和显像单元之间，包括光线入口、光线出口以及反射镜，并且所述反射镜能够提供至少两个朝向光轴的反射面。这样，来自第一光学单元中的A区光线可以穿过光线入口和光线出口而直接到达显像面(A区)；而B区光线穿过光线入口后而直接投射到光束整形器的反射面，经反射面反射后，B区光线改变原来路径，同样穿过光线出口而到达显像面。这样，B区光线也可以被利用了。因此，本发明提供的光束整形器可以提高投影系统中的光效。
第二，光线均匀度较高。同现有技术相比，本发明提供的光束整形器采用反射镜反射来自第一光学单元的光束中的B区光线，从而改变B区光线的原有路径，使得原来不能投射到显像面的B区光线能够投射到A区，并在A区的边缘同原有的A区光线进行叠加，这样，就使得显像面边缘的光线亮度提高，从而提高了投影系统中光线的均匀度。
图1是圆形光束在显像面所在平面的投影示意图；图2a是应用于投影系统中的圆杯反射镜开口垂直于轴向的视图；图2b是应用于投影系统中的方杯反射镜开口垂直于轴向的视图；图3是应用本发明光束整形器的投影系统光路原理框图；图4a是本发明光束整形器的一个较佳实施例中分离部件示意图；
图4b是图4a所示光束整形器的分离部件的组合示意图；图5是图4b所示光束整形器光线出口的光束投影示图；图6是图4b所示光束整形器光线入口的光束投影示图；图7是平行光束进入光束整形器后的光路剖面示意图；图8是发散光束进入光束整形器后的光路剖面示意图；图9是会聚光束进入光束整形器后的光路剖面示意图；图10是经过光束整形器后光束在显像面所在平面的投影示图；图11a、图11b、图11c、图11d和图11e是本发明光束整形器的另外五种实施方式。
具体实施例方式
请参阅图3，是应用本发明光束整形器的投影系统光路原理框图。应用本发明光束整形器的投影系统的光路系统包括光源310、第一光学单元320、光束整形器300、显像单元330、第二光学单元340以及投影屏幕350。在该光路中，光源310发出的光线经第一光学单元320处理后进入本发明提供的光束整形器300，在光束整形器300中改变光路后，光束到达显像单元330；然后经第二光学单元340到达投影屏幕350。
其中，光束整形器300设置于第一光学单元320和显像单元330之间，包括光线入口(图未示)、光线出口(图未示)以及反射镜(图未示)；所述反射镜至少提供两个朝向光轴的反射面。
来自第一光学单元的光束包括有效光线(A区光线)和无效光线(B区光线)。A区光线可以直接穿过光束整形器300而到达显像单元330的显像面；而B区光线不能直接投射到显像单元330的显像面，而是先投射到光束整形器的反射镜的反射面，经反射镜反射后，B区光线改变原来光路，可以投射到显像单元330的显像面上。
其中，显像单元330由于工作机理的不同，可以分为反射式显像单元和透射式显像单元。如果光束经过显像单元后被反射出去，再进行后续处理，则该显像单元被称为反射式显像单元。目前主流的反射式显像单元有DMD(DigitalMicromirror Device)数字微反射器、LCOS(Liquid Crystal on Silicon，硅上液晶)。如果光束穿透显像单元再进入后续光路，则该显像单元被称为透射式显像单元。目前主流的透射式显像单元有LCD。由于显像单元对光线入射角的限制，通常需要把投射到显像单元的光束处理成平行光束。
可以理解的是，光线出口的大小要保证A区光线直接穿过光线出口，并正好全部投射到显像面，B区光线经过光束整形器反射面反射后，反射光线全部穿过光线出口，投射到显像面。
下面具体阐述本发明光束整形器的工作原理。
请参阅图4a，是本发明光束整形器的一个较佳实施例中分离部件示意图。本发明光束整形器包括四块梯形平面反射镜101、102、103和104。其中，平面反射镜101和平面反射镜102相对设置，平面反射镜103和平面反射镜104相对设置，并且各个反射镜的反射面均向内(朝向光轴)。
请参阅图4b，是图4a所示光束整形器的分离部件的组合示意图。所述光束整形器由四个梯形平面反射镜101～104组合而成，内表面形成的空间构成通道100，并且通道100是梯形通道。所述光束整形器具有两个端口光线入口105和光线出口(图未示)。在本实施例中，以光束整形器开口较大的端口为光线入口；以开口较小的端口为光线出口。当然，根据来自第一光学单元的实际光束类型，光束整形器的光线入口和光线出口的定义可以不同，也就是，在实际应用中，也可以开口较大的端口为光线出口；以开口较小的端口为光线入口。
在实际应用中，所述平面反射镜101～104可以通过支架或粘接等方式固定在一起而形成光束整形器。光束整形器的通道100具有中心轴线，光束整形器的左右两个平面反射镜101、102以通道100的轴线为轴而对称设置。光束整形器的上下两个平面反射镜103、104同样以通道100的轴线为轴而对称设置。这样，可以确保来自第一光学单元的光束经光束整形器处理后，仍然可以保持上、下方向和左、右方向的对称性。
请参阅图5，是图4b所示光束整形器光线出口的光束投影示图。光束整形器光线出口106在显像面所在平面的投影需要等于或略大于显像面(A区)，也就是，光线出口的大小要保证A区光线直接穿过光线出口，并正好全部投射到显像面，B区光线经过光束整形器反射面反射后，反射光线全部穿过光线出口，投射到显像面。若光束整形器光线出口106在显像面所在平面的投影比A区大很多，则来自第一光学单元的光束中会有部分光线通过光束整形器后，仍旧不能投射到显像单元，也就不能被利用。若光线出口106在显像面所在平面的投影比A区小，则会使得显像面上的部分区域不能被来自光束整形器的光线覆盖，从而该部分区域不能够显像。
请参阅图6，是图4b所示光束整形器光线入口的光束投影示图。光束整形器光线入口105的边长应大于圆形光束截面的直径，从而确保所有光线进入光束整形器。若光束整形器光线入口105的边长小于圆形光束截面的直径，则会有部分光线不能进入光束整形器而被浪费掉。
下面具体讲述本发明光束整形器如何调整进入其中的光束的光路。
请参阅图7，是平行光束进入光束整形器后的光路剖面示意图。在本实施例中，投影系统采用图4b所示的光束整形器。
下面以光束整形器的剖面示意图为例，来说明平行光束进入光束整形器后的光路情况。
在本实施例中，来自第一光学单元的光束为平行光束；光束整形器光线入口105为光束整形器开口较大的端口，光线出口106为开口较小的端口。其中，光束整形器光线出口106边长等于或略大于显像面的边长，光束整形器光线入口105的边长大于光束整形器光线出口106相应的边长。
其中，光线A表示A区(投射到A区中)的光线；光线B表示B区(投射到B区中)的光线。光线A由光束整形器光线入口105进入光束整形器，穿过光束整形器光线出口106后直接投射到显像单元的显像面500。光线B由光束整形器光线入口105进入光束整形器，不能直接投射至显像面500，而是先投射至平面反射镜103的反射面(内表面)，经反射面反射后，光线B改变原来的光路，投射至显像面500。
其中，β角为平面反射镜104的倾角，即平面反射镜104与光轴之间的夹角。α角为光线B经平面反射镜103反射后，反射光线与光线A之间的夹角。在本实施例中，仅表示出平面反射镜104的倾角β，事实上，图4b所示的平面反射镜101、102和103同光轴之间同样存在夹角(图未示)，即同样存在倾角。并且，在本实施例中，仅表示出光线B经平面反射镜103反射后，反射光线与光线A之间的夹角α，事实上，对于图4b而言，经平面反射镜101、102和104反射后，反射光线与光线A之间同样存在夹角。
在实际应用中，只有进入投影镜头(包含在第二光学系统中)视场中的光线才能穿过投影镜头并投射到投影屏幕。也就是说，只有夹角α控制在一定的范围内，反射光线经过后续光路后才能够顺利进入投影镜头的视场，并投射到投影屏幕。通常，夹角α的大小与反射光线能否进入投影镜头的视场存在对应关系，即，夹角α越大，反射光线越不易进入投影镜头的视场。因此，在实际应用中，就需要将夹角α控制在一定的范围内。通常，可以根据后续具体光路(即，第二光学单元)情况适当调整平面反射镜103的倾角，来将夹角α控制在一定的范围内，从而确保光线B经过反射后能够顺利进入投影镜头的视场角，并投射到投影屏幕。
需要指出的是，本实施例仅以平面反射镜103为例来说明光束整形器如何调整光路。事实上，图4b所示的平面反射镜101、102和104对光路的调整原理相同。
请参阅图8，是发散光束进入光束整形器后的光路剖面示意图。在本实施例中，投影系统采用图4b所示的光束整形器。来自第一光学单元的光束为发散光束。光束整形器光线出口106的边长等于或略大于显像面500的边长。光束整形器光线入口105的边长小于光束整形器光线出口106的边长。
由于需要近似平行光进入显像面，因此，对于发散光束需要在显像单元的显像面500之前、光束整形器光线出口105处设置凸透镜110。
其中，光线A表示投射到A区的光线；光线B表示投射到B区的光线。光线A由光束整形器光线入口105进入梯形通道，穿过光束整形器光线出口106后进入凸透镜110，经凸透镜110折射后，形成近似平行光并投射到显像单元的显像面500。光线B由光束整形器光线入口105进入梯形通道，不能直接投射至显像面500，而是先投射至平面反射镜103的反射面(内表面)，经反射面反射后，光线B改变原来的光路，进入凸透镜110，经凸透镜110折射后，形成近似平行光并投射到显像面500。
其中，β角为平面反射镜104的倾角，即平面反射镜104与光轴之间的夹角。α角为光线B经平面反射镜103的反射面反射后，反射光线穿过凸透镜110与穿过凸透镜110的光线A之间的夹角。在本实施例中，仅表示出平面反射镜104与光轴之间的夹角β，事实上，图4b所示的平面反射镜101、102和103同光轴之间同样存在夹角(图未示)。并且，在本实施例中，仅表示出光线B经平面反射镜103反射后，反射光线与光线A之间的夹角α，事实上，对于图4b而言，经平面反射镜101、102和104反射后，反射光线与光线A之间同样存在夹角。
在实际应用中，只有进入投影镜头(包含在第二光学系统中)视场中的光线才能穿过投影镜头并投射到投影屏幕。也就是说，只有夹角α控制在一定的范围内，反射光线经过后续光路后才能够顺利进入投影镜头的视场，并投射到投影屏幕。通常，夹角α的大小与反射光线能否进入投影镜头的视场存在对应关系，即，夹角α越大，反射光线越不易进入投影镜头的视场。因此，在实际应用中，就需要将夹角α控制在一定的范围内。通常，可以根据后续具体光路(即，第二光学单元)情况适当调整平面反射镜103的倾角，来将夹角α控制在一定的范围内，从而确保光线B经过反射后，能够进入投影镜头的视场角，并能够投射到投影屏幕。
需要指出的是，本实施例仅以平面反射镜103为例来说明光束整形器如何调整光路。事实上，图4b所示的平面反射镜101、102和104对光路的调整原理相同。
请参阅图9，是会聚光束进入光束整形器后的光路剖面示意图。在本实施例中，投影系统采用图4b所示的光束整形器。来自第一光学单元的光束为会聚光束。光束整形器光线出口106的边长大于或等于显像单元的显像面500的边长。光束整形器光线入口105的边长大于光束整形器光线出口106的边长。
由于需要近似平行光进入显像面，因此，对于会聚光束需要在显像单元500的显像面之前、光束整形器光线出口105处设置凹透镜120。
其中，光线A表示投射到A区的光线；光线B表示投射到B区的光线。光线A由光束整形器光线入口105进入梯形通道，穿过光束整形器光线出口106后进入凹透镜120，经凹透镜120折射后，形成近似平行光并投射到显像单元的显像面500。光线B由光束整形器光线入口105进入梯形通道，但不能直接投射至显像面500，而是先投射至平面反射镜103的反射面(内表面)，经反射面反射后，光线B改变原来的光路，进入凹透镜120，经凹透镜120折射后，形成近似平行光并投射到显像面500。
其中，β角为平面反射镜104的倾角，即平面反射镜104与光轴之间的夹角。α角为光线B经平面反射镜103的反射面反射后，反射光线穿过凹透镜120后与穿过凹透镜120的光线A之间的夹角。在本实施例中，仅表示出平面反射镜104与光轴之间的夹角β，事实上，对于图4b所示的平面反射镜101、102和103同光轴之间同样存在夹角(图未示)。并且，在本实施例中，仅表示出光线B经平面反射镜103反射后，反射光线与光线A之间的夹角α，事实上，对于图4b而言，经平面反射镜101、102和104反射后，反射光线与光线A之间同样存在夹角。
在实际应用中，只有进入投影镜头(包含在第二光学系统中)视场中的光线才能穿过投影镜头并投射到投影屏幕。也就是说，只有夹角α控制在一定的范围内，反射光线经过后续光路后才能够顺利进入投影镜头的视场，并投射到投影屏幕。通常，夹角α的大小与反射光线能否进入投影镜头的视场存在对应关系，即，夹角α越大，反射光线越不易进入投影镜头的视场。因此，在实际应用中，就需要将夹角α控制在一定的范围内。通常，可以根据后续具体光路(即，第二光学单元)情况适当调整平面反射镜103的倾角，来将夹角α控制在一定的范围内，从而确保光线B经过反射后，能够进入镜头的视场角，并能够投射到投影屏幕。
需要指出的是，本实施例仅以平面反射镜103为例来说明光束整形器如何调整光路。事实上，对于图4b所示的平面反射镜101、102和104对光路调整原理相同。
在图7、图8和图9所示的实施例中，光束整形器光线入口均大于圆形光束的直径。因此，光束通过光束整形器光线入口105全部进入梯形通道。
请参阅图10，是经过光束整形器后光束在显像面所在平面的投影示图。平行光束、发散光束以及会聚光束经过光束整形器后，可以将B区的光线投射到显像单元的显像面，并跟A区光线叠加，使得A区边缘的亮度加强，从而提高了投影系统的光线均匀度。
可以理解的是，上述实施例中的平行光束、发散光束以及会聚光束均为同心光束，也就是光束为轴对称的。对于同心光束，采用轴对称的光束整形器，投影系统的光效较高；对于非同心光束，采用轴不对称的光束整形器，投影系统的光效较高。而且，本发明提供的光束整形器主要针对于基于透射式显像单元(如LCD液晶)的投影系统，而对于基于反射式显像单元，如DMD(光阀)、LCOS等的投影系统则不太适合。
需要指出的是，上述梯形通道式光束整形器为本发明的一个较佳实施方式，在实际应用中，还可以采用其他方式，只要能够将散布在显像面之外B区的光线经反射面折射到A区即可。例如，可以是图11a所示的由两个相对设置的反射镜组合而成的光束整形器；可以是图11b所示的由三个反射镜组合而成的光束整形器；可以是图11c所示的上下面不闭合的光束整形器；也可以是图11d所示的只在光束的四个角设置反射镜的光束整形器；还可以是图11e所示的只在光束的上、下、左、右四个面设置反射镜而四个角不闭合的光束整形器。图11a至图11e中各个反射镜的反射面构成通道100，来自第一光学单元的光束可以穿过所述通道100而到达显像面。当然还可以采用四个以上的反射镜来形成光束整形器，这同样可以将B区的一部分光线经反射面反射后改变光路而投射到A区，以挽回部分光效。
进一步需要指出的是，光束整形器所采用的反射镜不仅仅局限于平面反射镜，也可以采用二次曲面反射镜。在实际应用中，二次曲面反射镜的效果可能更好。但是，由于二次曲面反射镜的结构复杂、加工难度较大，因而加工成本较高，在实际应用中，常采用简单可行的平面反射镜。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种光束整形器，应用于投影系统中，所述投影系统至少包括光源、第一光学单元和显像单元，光源发出的光线经第一光学单元处理后，投射到显像单元，所述显像单元具有显像面，其特征在于所述光束整形器设置于第一光学单元和显像单元之间，包括光线入口、光线出口以及反射镜；所述反射镜至少提供两个朝向光轴的反射面。
2.根据权利要求1所述的光束整形器，其特征在于，所述光线入口大于光线出口。
3.根据权利要求1所述的光束整形器，其特征在于，所述光线入口小于光线出口。
4.根据权利要求1所述的光束整形器，其特征在于，所述反射镜是平面反射镜。
5.根据权利要求1所述的光束整形器，其特征在于，所述反射镜是曲面反射镜。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光束整形器，其特征在于，所述光线出口和显像单元之间设置透镜。
7.根据权利要求1所述的光束整形器，其特征在于所述光束整形器包括两两相对设置的四个梯形平面反射镜，所述梯形平面反射镜的反射面朝向光轴。
8.根据权利要求7所述的光束整形器，其特征在于所述梯形平面反射镜靠近显像单元一端的边长等于或大于显像面对应的边长；所述梯形平面反射镜远离显像单元一端的边长大于或等于来自第一光学单元的光束的直径。
9.根据权利要求7或8所述的光束整形器，其特征在于，所述光束整形器的中心轴线与光轴重合，所述梯形平面反射镜以光轴为中心对称设置。
10.根据权利要求7或8所述的光束整形器，其特征在于，所述光束整形器的中心轴线与光轴不重合，所述梯形平面反射镜不对称设置。
全文摘要
本发明公开了一种应用于投影系统中的光束整形器，所述投影系统至少包括光源、第一光学单元和显像单元，光源发出的光线经第一光学单元处理后，投射到显像单元，所述显像单元具有显像面，所述光束整形器设置于第一光学单元和显像单元之间，包括光线入口、光线出口以及反射镜；所述反射镜至少提供两个朝向光轴的反射面。应用本发明提供的光束整形器，能够提高投影系统的光效和光线均匀度。
文档编号G02B27/18GK1588168SQ20041006260
公开日2005年3月2日 申请日期2004年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者罗筱泠 申请人:罗筱泠