可变光学元件、通用光源系统、投影设备及镜头适配方法与流程

1.本发明涉及光学技术领域，尤其是涉及一种可变光学元件、通用光源系统、投影设备及镜头适配方法。


背景技术：

2.dlp(digital light processing，数字光处理技术)投影技术是将光源产生的光束，经匀光棒(又称为光导管)、聚焦透镜照射至dmd(digital micromirror device，数字微镜器件)，再经dmd反射进入镜头，投影到屏幕成像。
3.为满足光通量的要求，入射至匀光棒的光线角度与镜头的f数要匹配。现有的光源技术中，使用聚焦透镜将光束聚焦至匀光棒，光束在匀光棒上的入射角度是固定的，当投影设备使用不同f数的镜头时，光束在匀光棒上的入射角度无法改变来与镜头匹配，使得光源不具备通用性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种可变光学元件、通用光源系统、投影设备及镜头适配方法，以实现光束在匀光棒上入射角度的改变，从而提高应用可变光学元件的光源系统的通用性。
5.本发明实施例提供了一种可变光学元件，包括主反射镜和次反射镜；所述主反射镜为凹面反射镜，所述主反射镜上设置有通光孔；所述次反射镜为面型可变的凸面反射镜，所述次反射镜设置在所述主反射镜的凹面侧，且所述次反射镜的反射面对着所述通光孔；
6.入射光束穿过所述通光孔入射至所述次反射镜的反射面上，并被所述次反射镜反射至所述主反射镜的反射面上；所述主反射镜对所述入射光束进行反射，使所述入射光束会聚至预设位置。
7.进一步地，所述通光孔设置在所述主反射镜的中心。
8.进一步地，所述主反射镜和所述次反射镜同光轴设置。
9.进一步地，所述次反射镜包括反射镜面和压电驱动器，所述压电驱动器设置在所述反射镜面的背光面；所述压电驱动器在不同的驱动电压下产生不同的位移，以改变所述反射镜面的曲率半径。
10.进一步地，所述反射镜面的材质包括光学玻璃或金属；所述压电驱动器的材质包括压电陶瓷。
11.进一步地，所述压电驱动器为多个。
12.进一步地，多个所述压电驱动器等间距均匀设置。
13.进一步地，所述次反射镜固定在平板玻璃上，所述平板玻璃垂直于所述入射光束的光轴设置。
14.进一步地，所述主反射镜与所述次反射镜之间的距离可调。
15.本发明实施例还提供了一种通用光源系统，包括上述的可变光学元件，还包括光
源和匀光棒；所述光源设置在所述可变光学元件的入光侧，所述匀光棒设置在所述可变光学元件的出光侧。
16.本发明实施例还提供了一种投影设备，包括上述的通用光源系统，还包括依次设置在所述通用光源系统的输出光路上的数字微镜器件dmd和镜头。
17.本发明实施例还提供了一种镜头适配方法，应用于上述的投影设备；所述方法包括：
18.根据所述镜头的f数，确定所述通用光源系统中的所述光源发出的入射光束经所述通用光源系统中的所述可变光学元件后的会聚角度；
19.根据所述会聚角度和所述可变光学元件的透镜参数，确定所述可变光学元件中所述次反射镜的曲率半径；其中，所述透镜参数包括所述可变光学元件中所述主反射镜的曲率半径、所述主反射镜与所述次反射镜在所述入射光束光轴方向上的距离和所述入射光束垂直投影的尺寸；
20.按照所述次反射镜的曲率半径调整所述次反射镜的面型，以使所述通用光源系统与所述镜头相匹配。
21.进一步地，所述入射光束垂直投影的尺寸包括所述入射光束垂直投影的长轴长度；根据所述会聚角度和所述可变光学元件的透镜参数，确定所述可变光学元件中所述次反射镜的曲率半径的步骤，包括：
22.通过以下公式确定所述次反射镜的曲率半径：
23.θ＝2(h/r2)*(2d r2-r1)/r1；
24.其中，θ表示所述会聚角度，h表示所述入射光束垂直投影的长轴长度，r1表示所述次反射镜的曲率半径，r2表示所述主反射镜的曲率半径，d表示所述主反射镜与所述次反射镜在所述入射光束光轴方向上的距离。
25.本发明实施例提供的可变光学元件、通用光源系统、投影设备及镜头适配方法中，该可变光学元件包括主反射镜和次反射镜；主反射镜为凹面反射镜，主反射镜上设置有通光孔；次反射镜为面型可变的凸面反射镜，次反射镜设置在主反射镜的凹面侧，且次反射镜的反射面对着通光孔；入射光束穿过通光孔入射至次反射镜的反射面上，并被次反射镜反射至主反射镜的反射面上；主反射镜对入射光束进行反射，使入射光束会聚至预设位置。该可变光学元件通过面型可变的次反射镜与主反射镜的配合可以改变入射光束的会聚角度，从而在将该可变光学元件应用于投影设备的光源系统上时，可以根据投影设备中镜头的f数适应性地改变光束在光源系统中匀光棒上的入射角度，也即能够实现光束在匀光棒上入射角度的改变，从而提高应用该可变光学元件的光源系统的通用性。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明实施例提供的一种可变光学元件的结构示意图；
28.图2为本发明实施例提供的一种次反射镜的结构示意图；
29.图3为本发明实施例提供的一种可变光学元件的会聚角度计算原理图；
30.图4为本发明实施例提供的一种通用光源系统的结构示意图；
31.图5为本发明实施例提供的一种投影设备的结构示意图；
32.图6为本发明实施例提供的一种镜头适配方法的流程图。
33.图标：101-主反射镜；102-次反射镜；103-通光孔；104-平板玻璃；201-反射镜面；202-压电驱动器；301-光源；302-二向色镜；303-透镜组；304-波长转换装置；305-可变光学元件；306-匀光棒；401-通用光源系统；402-聚焦透镜；403-dmd；404-镜头。
具体实施方式
34.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.现有的dlp投影技术，通过光源中的聚焦透镜使光束入射至匀光棒，由于聚焦透镜的面型固定，所以入射至匀光棒的角度固定。为满足光通量的要求，需要光束在匀光棒上的入射角度和镜头的f数相互匹配。当使用不同f数的镜头时，需要更换对应的聚焦透镜，也即dlp投影技术中现有的光源不具备通用性。基于此，本发明实施例提供的一种可变光学元件、通用光源系统、投影设备及镜头适配方法，可以实现光束在匀光棒上入射角度的改变，从而提高应用可变光学元件的光源系统的通用性。
36.为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种可变光学元件进行详细介绍。
37.参见图1所示的一种可变光学元件的结构示意图，该可变光学元件包括主反射镜101和次反射镜102；主反射镜101为凹面反射镜，主反射镜101上设置有通光孔103；次反射镜102为面型可变的凸面反射镜，次反射镜102设置在主反射镜101的凹面侧，且次反射镜102的反射面对着通光孔103。
38.如图1所示，上述可变光学元件的光路如下：入射光束(如平行光)穿过通光孔103入射至次反射镜102的反射面上，并被次反射镜102反射至主反射镜101的反射面上；主反射镜101对入射光束进行反射，使入射光束会聚至预设位置。
39.当上述可变光学元件应用于投影设备的光源系统上时，上述预设位置可以是光源系统中匀光棒的入口，这样由于次反射镜102的面型可以变化，入射到匀光棒的光线的入射角度也可以随之改变，从而达到同一光源系统可以匹配不同f数镜头的效果。
40.本发明实施例中，该可变光学元件通过面型可变的次反射镜102与主反射镜101的配合可以改变入射光束的会聚角度，从而在将该可变光学元件应用于投影设备的光源系统上时，可以根据投影设备中镜头的f数适应性地改变光束在光源系统中匀光棒上的入射角度，也即能够实现光束在匀光棒上入射角度的改变，从而提高应用该可变光学元件的光源系统的通用性。
41.可选地，参见图2所示的一种次反射镜的结构示意图，次反射镜102包括反射镜面201和压电驱动器202，压电驱动器202设置在反射镜面201的背光面；压电驱动器202在不同的驱动电压下产生不同的位移，以改变反射镜面201的曲率半径。
42.如图2所示，给压电驱动器202上电，压电驱动器202能将电能转换为垂直方向的位移，推动上方的反射镜面201，也即通过改变压电驱动器202上施加的电压，就能使次反射镜102的面型发生改变。
43.可选地，上述反射镜面201的材质可以为光学玻璃或者金属。压电驱动器202由具有“压电效应”的压电材料组成，例如压电驱动器202的材质可以为压电陶瓷。
44.可选地，如图2所示，上述压电驱动器202为多个。通过给不同的压电驱动器202加不同的电压，就能使反射镜面201更好地产生各种不同的面型。
45.进一步地，多个压电驱动器202等间距均匀设置。这样可以方便对反射镜面201面型的调控。
46.可选地，如图1所示，上述通光孔103设置在主反射镜101的中心。
47.进一步地，如图1所示，上述主反射镜101和次反射镜102同光轴设置。这样可以使经该可变光学元件的光学变换后的入射光束的光轴不发生变化，便于应用该可变光学元件的设备中其他相关器件的设置。
48.为了便于理解，以主反射镜101和次反射镜102同光轴设置为例，本实施例还提供了一种可变光学元件的会聚角度的计算原理。参见图3所示的一种可变光学元件的会聚角度计算原理图，主反射镜101的曲率半径记为r1，次反射镜102的曲率半径记为r2，入射光束的高度(即入射光束垂直投影的尺寸，该入射光束垂直投影的尺寸可以为入射光束垂直投影的长轴长度)记为h，主反射镜101与次反射镜102之间的距离(在入射光束光轴方向上的距离)记为d，则通过数学推倒可以计算得到如下公式：
49.入射光束的边缘光线在次反射镜102上的反射光线与入射光束光轴的夹角θ1为：θ1＝h/r2(公式1)；
50.入射光束的边缘光线在主反射镜101上的入射光束线与反射光线的夹角θ2为：θ2＝θ1*(2r1-2d-r2)/r1(公式2)；
51.入射光束的会聚角度θ为：θ＝2(θ1-θ2)＝2(h/r2)*(2d r2-r1)/r1(公式3)。
52.由此可见，会聚角度θ随次反射镜102的曲率半径r2的增大而减小，通过调整次反射镜102的曲率半径(即次反射镜102的面型)即可改变入射光束的会聚角度。
53.可选地，如图1所示，上述次反射镜102可以固定在平板玻璃104上，平板玻璃104垂直于入射光束的光轴设置。由于平板玻璃104不会改变光束的传播方向，因此不影响入射光束的会聚角度θ。在一种可能的实现方式中，该可变光学元件应用于投影设备，次反射镜102可以通过平板玻璃104固定在投影设备中光机的内壁上。
54.可选地，上述主反射镜101与次反射镜102之间的距离可调。由上述公式3可知，会聚角度θ随d的增大而增大，因此可以通过调节主反射镜101与次反射镜102之间的距离d，来微调入射光束的会聚角度θ。
55.在一种可能的实现方式中，上述可变光学元件还包括导轨，次反射镜102通过平板玻璃104与导轨滑动连接，以使主反射镜101与次反射镜102之间的距离可调。其中，导轨的长度方向与入射光束的光轴平行，通过调整次反射镜102的位置，调节主反射镜101与次反射镜102之间的距离。当然也可以将主反射镜101与导轨滑动连接，通过调整主反射镜101的位置，调节主反射镜101与次反射镜102之间的距离；还可以同时将主反射镜101和次反射镜102与导轨滑动连接，通过调整主反射镜101的位置和/或次反射镜102的位置，调节主反射
镜101与次反射镜102之间的距离。
56.在另一种可能的实现方式中，上述可变光学元件还包括传动装置，传动装置用于带动主反射镜101移动和/或次反射镜102移动，以使主反射镜101与次反射镜102之间的距离可调。
57.具体实现时，上述传动装置可以包括固定座、电机、曲柄连杆机构、镜座和导轨，电机与导轨固定在固定座上，镜座滑动连接在导轨上，镜座用于安装主反射镜101和/或次反射镜102。电机通过曲柄连杆机构与镜座连接，带动该镜座在导轨上滑动，以使主反射镜101与次反射镜102之间的距离可调。
58.本发明实施例还提供了一种通用光源系统，参见图4所示的一种通用光源系统的结构示意图，该通用光源系统包括上述的可变光学元件305，还包括光源301和匀光棒306；光源301设置在可变光学元件305的入光侧，匀光棒306设置在可变光学元件305的出光侧。
59.如图4所示，上述可变光学元件305能够将入射光束会聚至预设位置，该预设位置可以是匀光棒306的入口。次反射镜102可以改变面型，从而改变可变光学元件305的焦点，使入射到匀光棒306的光线的入射角度也发生改变，以匹配不同f数的镜头，因此该通用光源系统的通用性较好。
60.可以根据镜头的f数来设计会聚角度θ。具体地，镜头的f数与会聚角度θ的关系为：f数＝1/2n.a＝1/2n sin(θ/2)(公式4)；其中，n为空气的折射率，通常记为1。若镜头的f数为2.4，则带入公式4可以计算得到θ为24
°
；若镜头的f数为2.2，则带入公式4可以计算得到θ为26.2
°
。
61.在一种可能的实现方式中，如图4所示，光源301为激光光源，该通用光源系统还包括沿光源301发出的激发光的传播方向设置的二向色镜302、透镜组303和波长转换装置304；二向色镜302用于反射激发光，并透射波长转换装置304产生的受激发光；透镜组303用于将激发光聚焦至波长转换装置304上，并对波长转换装置304返回的受激发光进行准直。
62.上述通用光源系统的光路如下：光源301发出的激发光经二向色镜302和透镜组303入射至波长转换装置304；波长转换装置304基于该激发光产生受激发光，并反射受激发光；受激发光先后经过透镜组303和二向色镜302入射至可变光学元件305，穿过可变光学元件305的通光孔103后入射至可变光学元件305的次反射镜102，次反射镜102反射的受激发光经可变光学元件305的主反射镜101聚焦到匀光棒306的入口。
63.需要说明的是，虽然图4中二向色镜302反射激发光，并透射受激发光，但本发明的保护范围不限于此，在其他实施例中，二向色镜302也可以透射激发光，并反射受激发光。
64.本实施例所提供的通用光源系统，其实现原理及产生的技术效果和前述可变光学元件实施例相同，为简要描述，通用光源系统实施例部分未提及之处，可参考前述可变光学元件实施例中相应内容。
65.本发明实施例还提供了一种投影设备，参见图5所示的一种投影设备的结构示意图，该投影设备包括上述的通用光源系统401，还包括依次设置在通用光源系统401的输出光路上的聚焦透镜402、dmd403和镜头404。通用光源系统401产生的光束经聚焦透镜402照射至dmd403，再经dmd403反射进入镜头404。
66.本实施例所提供的投影设备，其实现原理及产生的技术效果和前述通用光源系统实施例相同，为简要描述，投影设备实施例部分未提及之处，可参考前述通用光源系统实施
例中相应内容。
67.本发明实施例还提供了一种镜头适配方法，该方法应用于上述的投影设备。参见图6所示的一种镜头适配方法的流程图，该方法主要包括如下步骤s602至步骤s606：
68.步骤s602，根据镜头的f数，确定通用光源系统中的光源发出的入射光束经通用光源系统中的可变光学元件后的会聚角度。
69.步骤s604，根据上述会聚角度和可变光学元件的透镜参数，确定可变光学元件中次反射镜的曲率半径；其中，透镜参数包括可变光学元件中主反射镜的曲率半径、主反射镜与次反射镜在入射光束光轴方向上的距离和入射光束垂直投影的尺寸。
70.在一种可能的实现方式中，入射光束垂直投影的尺寸包括入射光束垂直投影的长轴长度；可以通过以下公式确定次反射镜的曲率半径：
71.θ＝2(h/r2)*(2d r2-r1)/r1；
72.其中，θ表示会聚角度，h表示入射光束垂直投影的长轴长度，r1表示次反射镜的曲率半径，r2表示主反射镜的曲率半径，d表示主反射镜与次反射镜在入射光束光轴方向上的距离。
73.步骤s606，按照次反射镜的曲率半径调整次反射镜的面型，以使通用光源系统与镜头相匹配。
74.本实施例所提供的镜头适配方法，其实现原理及产生的技术效果和前述投影设备实施例相同，为简要描述，方法实施例部分未提及之处，可参考前述投影设备实施例中相应内容。
75.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
76.另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
77.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
78.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。