光机系统及显示系统的制作方法

1.本实用新型涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种光机系统及显示系统。


背景技术：

2.随着人们生活品质的提升，光源装置被大量应用于各种工作场合，用户对光源装置的要求越来越高，以满足各种不同的使用需求。光源装置在手电筒、车灯、舞台照明和投影设备中有着广泛的应用前景。然而，现有的光源装置的出光效率不高，亟需改进。


技术实现要素：

3.本实用新型实施例的目的在于提供一种光机系统及显示系统，以解决上述问题。本实用新型实施例通过以下技术方案来实现上述目的。
4.第一方面，本实用新型提供一种光机系统，包括光源、空间光调制器和光引导组件。光源用于发出照明光。空间光调制器用于接收照明光，并将照明光调制为图像光和非图像光，图像光和非图像光沿不同方向出射。光引导组件设置于非图像光的光路上，用于使非图像光形成正像后回收至空间光调制器。
5.在一种实施方式中，非图像光经光引导组件的偶数次反射或者偶数次中继倒像形成正像，或者经光引导组件的偶数次反射和偶数次中继倒像形成正像，或者经光引导组件的奇数次反射和奇数次中继倒像形成正像。
6.在一种实施方式中，光引导组件包括n个反射面，自空间光调制器出射的非图像光经n个反射面的反射后回收至空间光调制器，其中，n为偶数。
7.在一种实施方式中，光引导组件还包括m组倒像中继透镜，自空间光调制器出射的非图像光还经过m组倒像中继透镜后回收至空间光调制器，其中，m为偶数。
8.在一种实施方式中，光引导组件包括k个反射面和j组倒像中继透镜，自空间光调制器出射的非图像光经k个反射面的反射和j组倒像中继透镜后回收至空间光调制器，其中，k与j之和为偶数。
9.在一种实施方式中，倒像中继透镜包括倾斜柱面镜。
10.在一种实施方式中，光机系统还包括散射件，散射件设置于非图像光的光路上，倒像中继透镜包括光转换透镜，光转换透镜位于散射件和空间光调制器之间，非图像光经散射件和光转换透镜后回收至空间光调制器。
11.在一种实施方式中，光引导组件包括全内反射棱镜，自空间光调制器出射的非图像光经全内反射棱镜的反射后回收至空间光调制器。
12.在一种实施方式中，光机系统还包括匀光件，匀光件包括第一匀光部和第二匀光部，第一匀光部和第二匀光部连接，照明光经第一匀光部入射至空间光调制器，非图像光经光引导组件引导至第二匀光部，并经第二匀光部回收至空间光调制器。
13.在一种实施方式中，光引导组件包括多边形棱镜，多边形棱镜包括第一反射表面和第二反射表面，非图像光经第一反射表面和第二反射表面后回收至空间光调制器。
14.第二方面，本实用新型实施例还提供一种显示系统，包括主调制器以及上述任一光机系统，主调制器用于与空间光调制器配合以实现高动态显示。
15.相较于现有技术，本实用新型提供的光机系统及显示系统，空间光调制器将光源发出的照明光调制为图像光和非图像光，通过光引导组件使非图像光形成正像后回收至空间光调制器，提升了对非图像光的利用效率，提升了光机系统的出光效率。
16.本实用新型的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。
18.图1是现有技术中dmd的翻转方式的示意图。
19.图2是现有技术中针对vsp方式的dmd的光路图。
20.图3是图2在另外一种视角下的示意图。
21.图4是现有技术中反射镜和中继透镜的成像示意图。
22.图5是现有技术中一次光斑和循环光斑的示意图。
23.图6是现有技术中照明光的入射示意图。
24.图7是现有技术中照明光斑在dmd上的示意图。
25.图8是现有技术中针对trp方式的dmd的光路图。
26.图9是图8在另外一种视角下的示意图。
27.图10是本实施例提供的光机系统的示意图。
28.图11是本实施例一种实施方式提供的光机系统的示意图。
29.图12是本实施例另一种实施方式提供的光机系统的示意图。
30.图13是本实施例提供的显示系统的示意图。
具体实施方式
31.为了便于理解本实用新型实施例，下面将参照相关附图对本实用新型实施例进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。
32.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型实施例中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。
33.空间光调制器是光机的组成器件。dmd(digital micromirror device，数字微镜器件)是一种典型的空间光调制器，包括多个微镜，空间光调制器处于“on”状态时，微镜出射的光为图像光，图像光是指空间光调制器依据图像数据信号将入射光调制后的用于图像显示的光，也叫on光；空间光调制器处于“off”状态时，微镜出射的光为非图像光，非图像光是指经空间光调制器调制后的不用于显示图像的光，也叫off光。
34.dmd根据翻转方式的不同，主要分为两种，如图1所示：分别为vsp(voltage scalable pixel，电压可缩放像素)方式和trp(tilt and roll pixel，倾斜和滚动像素)方式，其中，vsp方式的dmd可以沿dmd对角线的
±
12
°
进行翻转，trp方式的dmd可以沿dmd两条侧边的
±
17
°
翻转。
35.现有的针对vsp方式的dmd的循环光的光路图如图2所示，照明光从dmd对角线方向入射到dmd上，此方案特点在于照明光、on光和off光在同一平面内，其中，照明光可以是激光、荧光、led或其他光源发出的光。如图3所示，dmd所在平面与off光成45
°
夹角，dmd出射的off光通过光学元件后再次成像至dmd上，实现off光的循环过程。
36.本技术发明人在研究过程中发现，现有的光源装置的出光效率普遍不高。为提高光源装置的出光效率，发明人提出对空间光调制器调制出射的非图像光进行回收，将非图像光重新导入光路中，使非图像光再次入射至空间光调制器，从而提升光源装置出射的光斑的亮度和对比度，提高光源装置的出光效率。
37.由于反射镜和中继透镜等光学元件会导致循环光在成像过程中产生倒像，如图4所示，简单的棱镜或反射镜在反射光线时会改变像的方向，而中继透镜在用于成像时也会产生倒像。本技术发明人在研究过程中还发现，奇数次反射能够使系统成倒像，偶数次反射能够使系统成正像。如图2中所示的光路图中，off光经过3次反射镜反射，1次棱镜(tir棱镜)反射，共计偶数次反射，形成正像，若光路中中继透镜成倒像，则dmd出射的off光形成倒像并成像至匀光器件。
38.如图5所示，一次光斑为照明光第一次进入匀光器件的面分布或角分布，一次光斑面分布的方向或角分布的方向与匀光器件方向一致。循环光斑为off光进入匀光器件的面分布或角分布，循环光斑与一次光斑关于dmd的对称轴对称。由于系统成倒像且dmd所在平面与off光存在一定的角度，导致循环光斑入射匀光器件时，循环光斑的面分布的方向或角分布的方向与匀光器件存在一定的角度，降低了off光耦合进匀光器件的效率，即降低了光源装置出射的光斑的亮度和对比度，降低了光源装置的出光效率。
39.除此之外，对于采用vsp方式的dmd的光源装置，如图6所示，照明光通常以45
°
入射，导致沿dmd的对角线某个方向的光程变长。使用普通透镜将照明光成像至dmd上时，照明光斑在dmd上四个顶点的高度不一致，如图7所示，即照明光斑呈不规则的矩形，而是呈平行四边形或者其他四边形，降低了对照明光的利用率。当dmd处于off状态时，不规则的矩形照明光作为循环光成像至匀光器件前，不规则的矩形照明光的角分布也是不规则的矩形，导致循环光的角分布与匀光器件不完全匹配，降低了off光耦合进匀光器件的效率。
40.现有的针对trp方式的dmd的光路图如图8所示，照明光和on光在同一个平面内，但照明光和off光不在同一个平面，照明光从dmd的侧面入射至dmd，照明光的入射方向与dmd沿水平方向的夹角为0
°
，如图9所示，但off光的出射方向与dmd沿水平方向存在一定的夹角，如果将off光进行回收，使off光入射至匀光器件时，则也存在产生倒像的情况，与vsp方式的dmd的情况相同，若系统产生倒像，则循环光再次进入匀光器件时，循环光的面分布或循环光的角分布均与匀光器件存在夹角，导致循环光的角分布与匀光器件不能够完全匹配，off光耦合进匀光器件的耦合效率下降，off光的利用率不高。
41.综上，现有基于dmd的off光回收的方案中，由于dmd与off光存在角度，导致循环光的角分布与匀光器件不能完全匹配，降低了off光耦合进匀光器件的耦合效率。为此，本申
请的实用新型提出通过控制循环光的反射次数和倒像中继的数量，来实现循环光与匀光器件匹配，并提升循环光耦合进匀光器件效率。
42.以下结合具体的实施例及说明书附图对本技术提供的光机系统及显示系统进行详细说明。
43.请参阅图10，本实用新型提供一种光机系统10，包括光源11、空间光调制器12和光引导组件13。光源11用于发出照明光。空间光调制器12用于接收照明光，并将照明光调制为图像光和非图像光，图像光和非图像光沿不同方向出射。光引导组件13设置于非图像光的光路上，用于使非图像光形成正像后回收至空间光调制器12。本实施例提供的光机系统10可以适用于影院放映机、工程机及高端家用影院。
44.在本实施例中，照明光作为一次光束，相较于非图像光，入射角度更小，透射效率更高。光机系统10中的能量主要来自于一次光束，因此可以优先保证一次光束的效率，然后通过提升非图像光的效率对光机系统10的出光效率进行提升。光源11可以是激光光源、荧光光源、led光源或其他光源，满足发出照明光即可，其中，照明光可以用于照明、显示等。
45.在本实施例中，空间光调制器12可以是dmd调制器。在一些其他的实施方式中，空间光调制器12还可以是lcos(liquid crystal on silicon，硅基液晶)调制器。
46.图像光可以用于形成高动态显示的内容。
47.在本实施例中，非图像光经过光引导组件13的引导后会回收至空间光调制器12，实现了对非图像光的循环利用，因此非图像光可以作为循环光束。
48.非图像光经光引导组件13的偶数次反射或者偶数次中继倒像形成正像，或者经光引导组件13的偶数次反射和偶数次中继倒像形成正像，或者经光引导组件13的奇数次反射和奇数次中继倒像形成正像。其中奇数次反射可以形成倒像，偶数次反射可以形成正像，奇数次中继倒像可以形成倒像，偶数次中继倒像可以形成正像。因此，本实施例中的非图像光经光引导组件13的偶数次反射或者偶数次中继倒像可以形成正像，经过偶数次反射和偶数次中继倒像也可以形成正像，经过奇数次反射和奇数次中继倒像也可以形成正像。通过形成正像，使得非图像光的角分布与匀光件133能够完全匹配，提升了非图像光耦合进匀光件133的耦合效率，提升了对非图像光的利用效率，提升了光机系统10的出光效率。
49.需要说明的是，上述的正像和倒像均是相对于次光束形成的图像而言。其中，正像指的是非图像光形成的图像与一次光束形成的图像的方向相同。倒像指的是非图像光形成的图像与一次光束形成的图像的方向相差180
°
。
50.在本实施例中，光引导组件13包括全内反射棱镜131，自空间光调制器12出射的非图像光经全内反射棱镜131的全内反射后回收至空间光调制器12。全内反射棱镜131包括第一棱镜1311和第二棱镜1312，第一棱镜1311和第二棱镜1312相连。
51.第一棱镜1311位于光源11和空间光调制器12之间，用于将光源11发出的照明光全内反射至空间光调制器12。第一棱镜1311还可以进一步包括增反面，增反面可以提高对照明光的反射率，与该第一棱镜1311的全内反射作用共同提高对照明光的利用率。在本实施例中，增反面可以是设置于第一棱镜1311的高反膜，其中，设置方式可以是镀覆或者粘贴。
52.第二棱镜1312设置于非图像光的光路上，第二棱镜1312包括一个反射面，自空间光调制器12出射的非图像光可以经反射面的反射后从第二棱镜1312出射，然后被引导至第一棱镜1311的增反面，并且经增反面反射空间光调制器12。反射面可以是高反膜。
53.在本实施例中，光机系统10还包括匀光件133，匀光件133包括第一匀光部1332和第二匀光部1334，第一匀光部1332和第二匀光部1334连接，照明光经第一匀光部1332入射至空间光调制器12，非图像光经光引导组件13引导至第二匀光部1334，并经第二匀光部1334回收至空间光调制器12。匀光件133可以为复眼透镜，还可以为方棒。在其他实施方式中，光机系统10还可以不包括匀光件133。
54.一次光束和非图像光分别从匀光件133的不同位置入射，使得一次光束和非图像光入射至全内反射棱镜131的增反面上的角度有微小的差异。在本实施例中，第一匀光部1332位于第二匀光部1334的下方。照明光作为一次光束从匀光件133的第二匀光部1334入射，经过第二匀光部1334的匀光后，入射至全内反射棱镜131的增反面上的角度相对较小，增反面对小角度一次光束的反射效率更高。非图像光作为循环光从匀光件133的第一匀光部1332入射，经过第一匀光部1332的匀光后，入射至全内反射棱镜131的增反面上的角度相对较大，增反面对小角度一次光束的反射效率更低。在其他实施方式中，第一匀光部1332位于第二匀光部1334的上方。通过控制照明光和非图像光从不同位置入射至匀光件133，可以减少非图像光对照明光的干扰，保证照明光的效率，由于光机系统10的光效主要来源于照明光(一次光束)，因此提升了光机系统10的出光效率。
55.光引导组件13还包括多个反射镜135，自第二棱镜1312的反射面反射出的非图像光可以经过反射镜135的反射后入射至第一棱镜1311的增反面。反射镜135可以用于改变非图像光的方向。每个反射镜135包括一个反射面。
56.光引导组件13还包括多组倒像中继透镜137，每组倒像中继透镜137可以对形成一次中继倒像，其中一组倒像中继透镜137中的中继透镜的数量可以是一个、两个、三个或者其他数量。当中继透镜的数量为两个或两个以上时，两个中继透镜之间可以设置反射镜135。
57.在本实施例中，光引导组件13包括k个反射面和j组倒像中继透镜137，自空间光调制器12出射的非图像光经k个反射面的反射和j组倒像中继透镜137后回收至空间光调制器12，其中，k与j之和为偶数，例如k为奇数且j为奇数。k个反射面包括全内反射棱镜131的一个反射面，以及k-1个反射镜135的k-1个反射面。又例如k为偶数且j为偶数。
58.在本实施例中，k等于5，j等于3，共五次反射，三次中继倒像，使非图像光可以形成正像。光引导组件13包括四个反射镜135，分别是第一反射镜1351、第二反射镜1352、第三反射镜1353和第四反射镜1354。光引导组件13还包括第一组倒像中继透镜1371、第二组倒像中继透镜1372和第三组倒像中继透镜1373，其中，第一组倒像中继透镜1371和第三组倒像中继透镜1373中的中继透镜的数量均可以是一个，第二组倒像中继透镜1372中的中继透镜的数量可以是两个。自空间光调制器12出射的非图像可以经第二棱镜1312的反射面的反射后，依次经第一组倒像中继透镜1371的引导、第一反射镜1351的反射、第二反射镜1352的反射、第二组倒像中继透镜1372的引导、第三反射镜1353的反射、第二组倒像中继透镜1372的引导和第四反射镜1354的反射后入射至第一棱镜1311的增反面，并且经增反面反射空间光调制器12。在其他实施方式中，在非图像光的光路上，四个反射镜135和三组倒像中继透镜137还可以按照其他顺序进行设置。在其他实施方式中，在满足k与j之和为偶数的条件下，k或j还可以是其他数值。例如当k等于3时，j可以等于1，或者当k等于5时，j可以等于1，或者，当k等于4时，j可以等于2。
59.在一种实施方式中，光引导组件13包括n个反射面，自空间光调制器12出射的非图像光经n个反射面的反射后回收至空间光调制器12，其中，n为偶数。光引导组件13不包括倒像中继透镜137。自空间光调制器12出射的非图像光经第一棱镜1311的一个反射面的反射后，再经过n-1个反射镜135的反射面的反射并入射至第一棱镜1311的增反面，并且经增反面反射空间光调制器12。
60.在一种实施方式中，光引导组件13还包括m组倒像中继透镜137，自空间光调制器12出射的非图像光还经过m组倒像中继透镜137后回收至空间光调制器12，其中，m为偶数。光引导组件13不包括反射镜135。自空间光调制器12出射的非图像光经第一棱镜1311的一个反射面的反射后，再经过m-1组倒像中继透镜137的引导后入射至第一棱镜1311的增反面，并且经增反面反射空间光调制器12。
61.在一种实施方式中，倒像中继透镜137包括倾斜柱面镜(图未示)。倾斜柱面镜可以将不规则矩形的非图像光的角分布矫正为矩形的非图像光的角分布，实现非图像光的角分布与匀光件133完全匹配，提高非图像光耦合进匀光件133的效率，提升了对非图像光的利用效率，提升了光机系统10的出光效率。
62.在本实施例中，倒像中继透镜137包括光转换透镜，光转换透镜将入射至光转换透镜的非图像光的光斑的面分布转化为角分布。在本实施例中，光转换透镜为第三组倒像中继透镜1373。
63.光机系统10还包括散射件14，散射件14设置于非图像光的光路上，用于扩大非图像光的发散角的角度，从而改善非图像光的均匀性。散射件14位于空间光调制器12和光转换透镜之间，并且光转换透镜位于散射件14和空间光调制器12之间，非图像光经散射件14和光转换透镜后回收至空间光调制器12。在本实施例中，散射件14设置于第二组倒像中继透镜1372和第三反射镜1353之间。在其他实施方式中，散射件14还可以设置于第二组倒像中继透镜1372和第二反射镜1352之间，或者设置于第一反射镜1351和第二反射镜1352之间。在光转换透镜设置于散射件14和空间光调制器12之间，使散射件14出射的非图像光能够经由光转换透镜的转化作用的条件下，散射件14可以设置于非图像光光路上的任意位置。在非图像光的光路上设置散射件14，有效改善了非图像光的均匀性，提升了对非图像光的利用效率，也使得主调制器的显示画面变得更好，从而有效的提升了用户体验。
64.光机系统10还包括成像透镜15，成像透镜15将照明光和光引导组件13引导的非图像光成像至空间光调制器12。成像透镜15也可以包括倾斜柱面镜，可以将不规则矩形的照明光的角分布矫正为矩形的照明光的角分布，实现照明光的角分布与匀光件133完全匹配，以及在空间光调制器12上呈现矩形的照明光光斑，提高空间光调制器12对于照明光光斑的能量利用率，提高照明光耦合进匀光件133的效率。
65.光机系统10还包括压缩透镜16，压缩透镜16设置于光源11与匀光件133之间，可以对光源11出射的照明光进行压缩。
66.请参阅图11，在一种实施方式中，本实用新型还提供一种光机系统20，与本实施例提供的光机系统10不同的是，光引导组件23不包括第一反射镜1351，光引导组件23包括多边形棱镜239，多边形棱镜239替换第三反射镜1353，多边形棱镜239包括第一反射表面2391和第二反射表面2392，非图像光经第一反射表面2391和第二反射表面2392后回收至空间光调制器12。另外，多边形棱镜239还包括透射表面2393，经散射件出射的非图像光经透射表
面2393入射至第一反射表面2391，经第一反射表面2391的反射后入射至第二反射表面2392，然后经过第二反射表面2392的反射和第一反射表面2391的透射后入射至第三组倒像中继透镜237。非图像光经过一次全内反射棱镜231的反射面的反射，第二反射镜2352的反射面的反射和第四反射镜2354的反射面的反射，多边形棱镜239的第一反射表面2391和第二反射表面2392的反射，共五次反射，三次中继倒像，因此也可以使非图像光形成正像，并且减少了反射镜的数量，光机系统的安装更加便捷，节省了生产成本。在本实施方式中，多边形棱镜239为三角棱镜。在本实施方式中，通过三角棱镜代替第一反射镜1351和第三反射镜1353。
67.请参阅图12，在另一种实施方式中，本实用新型还提供一种光机系统30，与本实施例提供的光机系统10不同的是，光引导组件33不包括第一反射镜1351和第二反射镜1352，多边形棱镜339替换第一反射镜1351和第二反射镜1352。并且第三组倒像中继透镜337包括两个中继透镜，两个中继透镜分别设置于第三反射镜3353的两侧。
68.多边形棱镜339还包括第一透射表面3393和第二透射表面3394，经第一组倒像中继透镜337出射的非图像光经第一透射表面3393入射至第一反射表面3391，经第一反射表面3391的反射后入射至第二反射表面3392，然后经过第二反射表面3392的反射和第二透射表面3394的透射后入射至第二组倒像中继透镜337。第一反射表面3391和第二反射表面3392可以镀覆增反膜，第一透射表面3393和第二透射表面3394可以镀覆增透膜，以使入射至多边形棱镜339的非图像光均能够达到多边形棱镜339全内反射角，利于提升对非图像光的利用率。非图像光经过一次全内反射棱镜331的反射面的反射，第三反射镜3353的反射面的反射和第四反射镜3354的反射面的反射，多边形棱镜339的第一反射表面3391和第二反射表面3392的反射，共五次反射，三次中继倒像，因此也可以使非图像光形成正像，并且减少了反射镜的数量，光机系统的安装更加便捷，节省了生产成本。在本实施方式中，多边形棱镜339为异型棱镜。
69.综上，本实用新型提供的光机系统10，其空间光调制器12将光源11发出的照明光调制为图像光和非图像光，通过光引导组件13使非图像光形成正像后回收至空间光调制器12，使得非图像光的角分布与匀光件133能够完全匹配，提升了非图像光耦合进匀光件133的耦合效率，提升了对非图像光的利用效率，提升了光机系统10的出光效率。
70.请参阅图13，本实用新型实施例还提供一种显示系统1，包括主调制器50以及光机系统10，主调制器50用于与空间光调制器12配合以实现高动态显示。
71.本实用新型提供的显示系统1，其空间光调制器12将光源11发出的照明光调制为图像光和非图像光，通过光引导组件13使非图像光形成正像后回收至空间光调制器12，使得非图像光的角分布与匀光件133能够完全匹配，提升了非图像光耦合进匀光件133的耦合效率，提升了对非图像光的利用效率，提升了光机系统10的出光效率。
72.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。