一种3D投影镜头及投影设备的制作方法

本实用新型涉及光学技术领域，具体涉及一种3D投影镜头及投影设备。

背景技术：

3D投影显示以其生动、立体的显示效果得到越来越广泛的应用。影院中常用的投影仪为了实现3D效果，需要专门的3D设备，目前常用的3D设备可以利用起偏器将自然光属性的图像光转变为线偏振光，然后通过时序调制的液晶器件将线偏振光转变为时序的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别为左眼图像光和右眼图像光，二者叠合从而实现3D效果。该过程当中，自然光经过起偏器会损失一半的光，然后经过液晶器件再损失一部分光，由此导致投影仪整体的光效比较低。

为了减少3D设备在起偏器位置损失的光，本领域人员开发了双光路的3D系统，使得自然光属性的图像光经过PBS(polarization beam splitter，偏振分光棱镜)棱镜分成S光和P光，S光透射，P光反射，反射的P光经过偏振转换器变为S光，两束S光经过液晶器件变为时序的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，最终在屏幕上合成为左眼图像光和右眼图像光。然而，由于镜头设计需要考虑镜头的通用性，通常将PBS设置在镜头后方作为附加器件，这样的设计方案会导致光束经过PBS棱镜分光的效率不高，并且PBS棱镜的体积需要做得比较大，使得制造成本过高。

还有一种现有技术，如CN102402018A的投影镜头如图1所示，被数字微镜器件301调制后的光经过Philips棱镜和TIR棱镜后出射，此时为非偏振光，该非偏振光经过中继镜组31，在偏极转换系统32中成中继影像，并被偏极转换系统32转化为偏振光，而后投影镜头33将中继影像成像到屏幕上，由此实现了3D效果。在该技术方案中，将偏极转换系统32设置在镜头之前，使得数字微镜器件301到达镜头的距离更长，即镜头的BFL(back focal length)更长，使得镜头的设计和加工难度增大。同时，PBS棱镜304放置于数字微镜器件301出射光束的中间光路中，由于光束呈现发散状态，PBS棱镜304的体积也必须设计得比较大，整体结构也很复杂。

技术实现要素：

根据本实用新型的一方面，提供一种3D投影镜头，其包括前组镜头单元、分光单元、后组镜头单元，所述后组镜头单元至少包括第一后组镜头和第二后组镜头；所述前组镜头单元接收图像光并将图像光汇聚到所述分光单元；所述分光单元的用于分光的部分设置于所述3D投影镜头的孔径光阑位置；所述分光单元接收来自所述前组镜头单元的图像光，对图像光进行分光从而得到多束光，所述多束光至少包括不同传播方向的第一光和第二光；所述分光单元将第一光沿第一光径引导出射至所述第一后组镜头，将第二光沿第二光径引导出射至所述第二后组镜头；所述第一后组镜头、所述第二后组镜头分别处于第一光径、第二光径上；所述第一后组镜头接收第一光、所述第二后组镜头接收第二光并出射。

优选地，分光单元的设置使得图像光在分光单元处的光束截面积小于等于孔径光阑截面积。

优选地，第二后组镜头相对于第一后组镜头具有一定的光轴偏移，从而使得第一后组镜头出射的第一光和第二后组镜头出射的第二光在屏幕上重合。

优选地，分光单元包括偏振分光棱镜，偏振分光棱镜设置于3D投影镜头的孔径光阑位置，用于将入射的图像光分为具有第一偏振态的第一光和具有第二偏振态的第二光；3D投影镜头还包括偏振转换组件，偏振转换组件处于第一光径或第二光径上，用于将第一光转换为第二偏振态，或将第二光转换为第一偏振态，以使入射至第一后组镜头的第一光和入射至第二后组镜头的第二光具有相同的偏振态。

优选地，分光单元还包括反射镜；反射镜处于第二光径，偏振分光棱镜将第一光透射至第一后组镜头，将第二光反射至反射镜，反射镜接收来自偏振分光棱镜的第二光并将其反射至第二后组镜头；或反射镜处于第一光径，偏振分光棱镜将第二光反射至第二后组镜头，将第一光透射至反射镜，反射镜将第一光反射至第一后组镜头。

优选地，3D投影镜头还包括设置于第一后组镜头和第二后组镜头之后的时序偏振器件，时序偏振器件用于将来自第一后组镜头和第二后组镜头的第一光和第二光一起转换成偏振状态相同的时序偏振光并出射至屏幕；时序偏振光为偏振状态随时间变化的光，包括左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的时序偏振光、左旋椭圆偏振光和右旋椭圆偏振光的时序偏振光或者偏振方向相互垂直的两个线偏振光的时序偏振光。

优选地，分光单元包括偏振分光棱镜，偏振分光棱镜设置于3D投影镜头的孔径光阑位置，用于将入射的图像光分为具有第一偏振态的第一光和具有第二偏振态的第二光，并将第一偏振态的第一光和第二偏振态的第二光分别经第一后组镜头和第二后组镜头出射至屏幕。

优选地，分光单元包括波长分光器件，波长分光器件设置于3D投影镜头的孔径光阑位置，用于将入射的图像光分为具有不同光谱范围的第一光和第二光，并将具有不同光谱范围的第一光和第二光分别经第一后组镜头和第二后组镜头出射至屏幕。

根据本实用新型的第二方面，提供一种3D投影设备，包括光源、光调制单元、上述3D投影镜头；光源的光束入射至光调制单元；光调制单元对来自光源的光束进行调制从而形成用于成像的图像光，并将图像光出射至3D投影镜头；3D投影镜头接收来自光调制单元的图像光并分光为至少包括第一光和第二光的多束光，投射至屏幕，使光调制单元表面产生的图像成像至屏幕。

优选地，单个光调制单元出射的图像光的截面积小于等于孔径光阑截面积。

本实用新型的3D投影镜头及3D投影设备，以孔径光阑为界，通过将镜头分为前组镜头单元和包括第一后组镜头和第二后组镜头的后组镜头单元，使得一个前组镜头单元对应两个后组镜头，将分光单元中用于分光的部分设置在投影镜头的光阑位置。一方面在投影镜头内部实现3D系统，减小了3D系统的体积，使得分光单元的体积达到最小，降低了成本；同时也避免了光调制器至投影镜头的距离过长，不必设置额外的中继镜组形成中间像，降低了镜头的设计难度，解决了实际问题。而且，将分光单元设置于孔径光阑位置，相较于将分光单元设置于镜头后方，入射到分光单元的光的发射角度更小，有利于提高分光单元的光利用效率，从而提高了3D系统的光利用效率，增强了3D显示亮度。

附图说明

图1为现有技术的投影镜头结构示意图；

图2为实施例一的3D投影设备示意图；

图3为实施例一的3D投影镜头示意图；

图4为实施例一的PBS棱镜与孔径光阑侧视图；

图5为实施例一的PBS棱镜与孔径光阑正视图；

图6为实施例一的分光单元光学参数示意图；

图7为实施例二的3D投影设备示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对作进一步详细说明。

实施例一：

如图2所示，本实施例的3D投影设备包括光源301、分色合色单元、光调制单元和3D投影镜头308。

其中，光源301用于产生投影所需要的照明光，可以为灯泡、半导体固态发光器件、半导体固态发光器件与荧光材料的组合。

分色合色单元包括匀光部件302、中继透镜303、反光镜304、TIR(total internal reflection，全内反射)棱镜305、分光棱镜组，本实施例的分光棱镜组具体采用Philips棱镜306；在本实用新型的其它实施方式中，本领域技术人员经合理设计光路结构，也可以不用设置匀光部件302、中继透镜303、反光镜304、TIR棱镜305等。

光调制单元可以包括一个或多个光调制器，本实施例的光调制单元具体包括蓝光调制器307a、红光调制器307b和绿光调制器307c。本实施例中的光调制器具体为DMD(Digital Micromirro Device，数字微镜器件)，在本实用新型其他实施方式中，光调制器也可以为LCD、LCOS等其他光调制器。

在投影过程中，光源301向匀光部件302发出光束，匀光部件302对光束进行匀光处理并出射至中继透镜303，中继透镜303将光束汇聚到反光镜304，光束经反光镜304反射至TIR棱镜305并经TIR棱镜305进一步反射至Philips棱镜306。

Philips棱镜306对光束进行透射、反射以及折射，从而将光束分光为多束分光束，本实施例中束，经Philips棱镜306分光后形成的蓝光分光束出射至蓝光调制器307a、红光分光束出射至红光调制器307b、绿光分光束出射至绿光调制器307c。

蓝光调制器307a、红光调制器307b、绿光调制器307c分别根据控制信号对蓝光分光束、红光分光束、绿光分光束进行调制，在各自的光调制器表面分别形成蓝色图像光、红色图像光和绿色图像光，并各自将调制后的分光束反射回Philips棱镜306，Philips棱镜306通过对反射回的各分光束进行反射、透射等作用，从而将被调制后的蓝光分光束、红光分光束、绿光分光束汇聚并出射至3D投影镜头308。

在本实用新型的其它实施方式中，还可以设计为各光调制器对所接收的分光束进行调制后将其进行透射，被透射的分光束汇聚并出射至3D投影镜头。

在本实用新型投影设备中，投影镜头的作用是将光调制器表面形成的图像光以成像的方式投射到屏幕上，也即将光调制器的表面成像到屏幕上。

如图3所示，本实施例的3D投影镜头308包括前组镜头单元402、分光单元、后组镜头单元、液晶器件409，其中，分光单元包括PBS棱镜403和反射镜405，后组镜头单元包括第一后组镜头404和第二后组镜头406，PBS棱镜403设置于3D投影镜头308的孔径光阑位置，本实施例的PBS棱镜403或者PBS棱镜403与反射镜405的组合即构成3D投影镜头内的3D系统。液晶器件409(例如液晶显示器)为本实施例的时序偏振器件。时序偏振器件可以是一个整块，也可以是两块拼接而成的。当然，本领域技术人员可知，也可以不必设置时序偏振器件。

在本实施例中，前组镜头单元402和第一后组镜头404、前组镜头单元402和第二后组镜头406分别组成两个独立的第一镜头和第二镜头，分别独立的将光调制器的出光面成像到屏幕上。进一步的，该第一镜头和第二镜头的孔径光阑位置重合。

本实施例所称孔径光阑，可以是透镜边缘/框架，也可以是一个独立的光学元件，还可以是光路中的特定位置而非实物。孔径光阑是从3D投影镜头整体设计来考虑的，其作用是控制物本身的发光孔径角，因此可以合理地选定光路的某个特定位置作为孔径光阑，也可以在该位置处设置独立的光阑元件或透镜边缘。本领域技术人员通过分析设计投影镜头结构即可确定孔径光阑的位置和大小。当孔径光阑是独立的光学元件时，其可以采用图4中光径光阑407的设置方式；当孔径光阑是透镜边缘/框架时，则PBS棱镜403应当与该边缘足够靠近，同样符合本实用新型所称的“PBS棱镜403设置于3D投影镜头的孔径光阑位置”的含义；当孔径光阑是非实物的位置时，则为便于理解，可以参考图4，将孔径光阑407看做一个假象的结构，光束通过此位置时发光孔径角受到限制。PBS棱镜403的设置使得图像光在PBS棱镜403处的光束截面积小于等于孔径光阑截面积。

为清楚描述，图3中以光调制单元401表示投影设备中的蓝光调制器307a、红光调制器307b、绿光调制器307c。

在投影过程中，光束经光调制单元401出射的图像光入射至前组镜头单元402，前组镜头单元402将图像光汇聚到PBS棱镜403。在本实用新型的实施方式中，光调制单元401与前组镜头单元402之间不存在中继透镜。本领域技术人员悉知，中继透镜独立于投影镜头，光调制器经过中继透镜会产生一个中间像。而本实用新型的实施方式中，光调制单元的表面经过投影镜头成像到屏幕的过程中，不产生中间像。这样既缩短了光调制器到投影镜头的距离，不必设置额外的中继镜组形成中间像，降低了镜头的设计难度。

如附图1的对比文件所示，该技术方案利用中继透镜组将光调制器的出光面分别成像到两个镜头的入口附近，然后分别利用两个镜头将两个中间像成像到屏幕上。该技术方案由于将PBS置于镜头之前，增加了光调制器到镜头入口的距离，不得不设置一中继镜组31将光调制器成像到镜头入口，以″光调制器的像″替代″光调制器的物″，从而才能使镜头成像质量提高。为此，该技术方案不仅牺牲了整体的体积、牺牲了成本，还因为增加了中继透镜组31造成了额外的光透过率损失和光收集损失。

本实施例的技术方案直接将光调制器置于镜头入口前方，将″光调制器的物″直接通过镜头成像到屏幕，在保证成像质量的情况下，避免了中间过程的光透光率损失和光收集损失，没有因为增加PBS而额外增加其他成本。而且还重复利用了前组镜头单元402作为两个镜头的共用部分，相对于其他双镜头的技术方案降低了镜头成本。

PBS棱镜403接收图像光以红光为例，PBS棱镜403对红光进行分光从而得到第一光和第二光，此时，第一光为具有第一偏振态的P光，第二光为具有第二偏振态的S光。第一光的传播路径为第一光径，第二光的传播路径为第二光径，第一后组镜头404、第二后组镜头406分别处于第一光径、第二光径上。第一后组镜头404与第二后组镜头406的光轴并不平行，第二后组镜头406需要一定的offset(光轴偏移)，且offset为可调，以适应不同的投影距离以及保证两束光在屏幕上重合。

PBS棱镜将P光沿第一光径透射至第一后组镜头404，将S光沿第二光径反射至反射镜405。

本实施例还包括处于第二光径上反射镜405后的偏振转换组件(图中未示出)，被反射镜405反射的S光经偏振转换组件转换成为P光并出射至第二后组镜头406。设置偏振转换组件的目的是使入射至第一后组镜头404的第一光和入射至第二后组镜头406的第二光具有相同的偏振态，因此在其它的实施方式中，偏振转换组件还可以处于第一光径上，用于将第一光转化为S光。

第一后组镜头404将第一光(P光)、第二后组镜头406将第二光(P光)出射至液晶器件409，第一光和第二光一起经液晶器件409后变为转换成时序偏振光，该时序偏振光为偏振状态随时间变换的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光(即第一光和第二光在某个时间段一起被转换为左旋圆偏振光，在第二个时间段被转换为右旋圆偏振光，如此依时序循环)，从而再投射到屏幕上经叠合后实现3D效果。在本实用新型其它的实施方式中，还可以是第一光和第二光一起经液晶器件409后变为时序的左旋椭圆偏振光和右旋椭圆偏振光，或者偏振方向相互垂直的两个线偏振光，也能实现3D效果。

如图4和图5所示，PBS棱镜403设置于3D投影镜头308的孔径光阑407位置，孔径光阑407的口径高度为D，来自空间光调制器的光其表示的物高为h，且D≥h。将PBS棱镜403限制在孔径光阑407范围内的情况下，PBS棱镜403可以做到和孔径光阑407一般大小，这样的设计使得PBS棱镜403的体积达到最小。本领域技术人员应当理解，孔径光阑407可以是圆形、方形或其它任何合理的形状，不受图4与图5的限制。

PBS棱镜403通过镀膜实现反射与透射，其作用效果与入射光的发散角有关，图像光发散角越大，PBS棱镜的效果就越差，图像光发射角越小，PBS棱镜的效果就越好。需要注意的是，光发散角与光入射角是不同的概念，本领域技术人员讨论光入射角进行设计光路时首先考虑的是光的主光轴，即如图中所示，光入射角是以考虑主光轴入射角为45°左右入射到分光膜进行设计的，而光发散角是对光束以主光轴为中心向外发散的描述，即，在光束以主光轴与分光膜呈45°入射时，该光束中存在以40°或50°入射的光(此处仅为举例说明，并非限定于此)。镀膜的设计是基于主光轴方向设计的，其他角度的光在膜层中的光程与主光轴不同，因此会导致分光膜特性对其他角度的光不能很好的匹配，角度差别越大，即发散角越大，这种效应越明显。

如图6所示，从光调制单元401出射的图像光面积为S₁，光发射半角为α，经过前组镜头402后，在光阑407处汇聚通过，光阑的面积为S₂，此处的光发射半角为β，光经过后组镜头405成像到屏幕408上，从后组镜头405出射的光束倾斜角为θ。

粗略估算，在假设图像光为均匀的光分布的情况下，光束在孔径光阑位置处的截面上的任意点都包含光调制单元401上任意像素点发出的图像光，根据光学扩展量守恒，S₁sin²α＝S₂sin²β，其中，S₁、α，S₂、β是变量；一般地，α根据镜头F#的设计，为8°～18°，若S1与S₂相等，则α＝β，β也为8°～18°，或者S₂更大，这样β会更小。在本实用新型的一个实施方式中，单个光调制单元出射的图像光的截面积小于等于孔径光阑截面积，使得光束在分光单元位置的发散角相对于光调制单元的发散角更小，从而提高了分光单元的效率。

θ的计算来自于镜头的投射比TR，TR＝1/2tanθ；影院投影仪镜头的投射比一般为1.0左右，θ为26。左右，而对于超短焦投影仪，投射比TR只有0.24，θ超过60°。在本实用新型的技术方案中，β相对于θ更小，在光阑407处放置PBS棱镜，PBS棱镜的效果也更好，效率更高。在现有技术中，在镜头后方设置PBS棱镜，由于一旦光束从镜头出射，θ就确定不变了，如上述典型值θ超过26°乃至近70°，将导致入射到PBS棱镜的光束的发散角非常大，PBS棱镜的分光效果大打折扣，大量的光无法被利用，在镜头投射至屏幕过程中损失掉。而本实用新型的分光单元设置在孔径光阑位置，入射光的发散角小，有利于提高分光单元的光利用效率，从而提高了3D系统的光利用效率，增强了3D显示亮度。

在本实用新型的其它实施方式中，还可以是PBS棱镜对第一光进行透射，对第二光进行反射，在第一光径上设置反射镜。PBS棱镜将第一光透射至反射镜，反射镜将第一光反射至第一后组镜头；PBS棱镜将第二光透射至第二后组镜头；第一后组镜头将第一光、第二后组镜头将第二光出射至屏幕，经叠合后呈现3D效果。

在本实用新型的其它实施方式中，分光单元为偏振分光棱镜，偏振分光棱镜设置于3D投影镜头的孔径光阑位置，用于将入射的图像光分为具有第一偏振态的第一光(P光)和具有第二偏振态的第二光(S光)，并将第一光和第二光出射至屏幕，用户通过戴上合适的偏振片眼镜即可体验到3D效果。

本实用新型实施例一中，光调制单元包括3个光调制器，分别用于调制三种颜色。在本实用新型其他实施方式中，光调制单元也可以包括其他数量的光调制器。例如，在某一实施方式中，光调制单元至少包括一个光调制器，该光调制器通过调制依时序入射的彩色光(红绿蓝光、红绿蓝黄光)出射时序的图像光。在另一实施方式中，光调制单元至少包括两个光调制器，其中一个光调制器调制单色光(如红绿蓝中的任一种)，另一光调制器调制时序入射的彩色光(如红绿蓝中的剩余两种)，两个光调制器分别出射的单色图像光和时序图像光经合光后形成彩色图像。

实施例二：

如图7所示，本实施例的3D投影设备包括光源601、匀光透镜602、中继透镜603、反射镜604、TIR棱镜605、第一空间光调制器606a、第二空间光调制器606b、投影镜头607、屏幕608，本实施例的投影镜头607采用实施例一投影镜头的基本结构，也包括PBS棱镜和反射镜。TIR棱镜将光束分光为两束光，两个空间光调制器各自对分光束进行调制形成左眼图像光和右眼图像光，左眼图像光(P光)经过PBS棱镜后透射，再经过第一后组镜头出射，通过1/4波片变为左旋圆偏振光，在屏幕上成为左眼图像光；右眼图像光(S光)经过PBS棱镜后反射，再经第二后组镜头出射，通过1/4波片变为右旋圆偏振光，在屏幕上成为右眼图像光，左眼图像光与右眼图像光在屏幕608上叠合，用户通过戴上合适的偏振片眼镜即可体验到3D效果。

实施例三：

本实施例的3D投影设备采用实施例一的基本结构，与实施例一区别在于，本实施例的3D投影镜头将PBS棱镜替换为波长分光器件，波长分光器件设置于3D投影镜头的孔径光阑位置，用于将入射的图像光分为具有不同光谱范围的第一光和第二光。例如，图像光为宽谱的RGB光，第一光和第二光分别为光谱不同的RGB光，并将第一光和第二光分别经第一后组镜头和第二后组镜头出射至屏幕经叠合，用户通过戴上合适的偏振片眼镜即可体验到3D效果。波长分光器件的分光效率与入射光束的发散角的关系同样遵循类似于偏振分光器件的分光效率与入射光束的发散角的关系。

本实用新型的3D投影镜头及3D投影设备，将3D系统即分光单元(如PBS棱镜或者PBS棱镜403与反射镜405的组合)等集成到投影镜头内部，在前组镜头单元和后组镜头单元之间设置3D系统，通过本实用新型的技术方案，一方面在投影镜头内部实现3D系统，节省了3D系统的体积，并且分光单元设置在投影镜头的光阑位置，使得分光单元的体积达到最小，也避免了光调制器至投影镜头的距离过长，降低了镜头的设计难度，解决了实际问题；另一方面由于光束在光阑位置处的角度较小，使得分光单元具有更高的效率，提高了3D系统的出光效率，增强了3D亮度，对推进3D投影设备的进一步发展具有重要意义。

以上内容是结合具体的实施方式对所作的进一步详细说明，不能认定的具体实施只局限于这些说明。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。