CN104020570B - 一种集成有投影仪和光谱仪的*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有投影仪和光谱仪的***，所述投影仪包括空间光调制器和投影元件，所述光谱仪包括探测器和与所述投影仪共用的空间光调制器，其中所述空间光调制器包括多个能够独立控制的单元，所述多个单元中的每个单元能够调整入射到其上的光的出射方向，所述空间光调制器、探测器和投影元件的相对位置被布置为能够使所述空间光调制器中的每一个单元处于第一状态时，入射到其上的光被调制后入射到所述探测器上，处于第二状态时，入射到其上的光被调制后入射到所述投影元件上。本发明还提供了一种包括上述***的移动通讯装置。

Description

一种集成有投影仪和光谱仪的***

技术领域

本发明涉及光学设备领域，尤其涉及投影仪和光谱仪。

背景技术

近年来，投影仪得到了较大的发展，其能够生成高质量的图像，且结构紧凑、重量轻，为大屏幕显示提供了良好的解决方案。尤其是基于DLP（Digital Light Processing，数字光处理）的投影仪获得了较大的成功，其能够避免使用液晶显示器投影仪所需的体积较大的偏振光学元件。基于DLP的投影仪的基本结构通常包括光源、DLP元件（例如数字微反射镜等）、投影元件等。为了显示彩色图像，投影仪中还通常具有色轮，当光源发出的白光通过色轮时便轮流产生红光、绿光和蓝光，并依次在DLP元件上形成应对颜色的图像，不同色图像的最终依靠人脑合成，形成彩色图像。

投影仪在诸多领域都有广泛的应用，例如会议、演示、娱乐等。投影仪的体积也有逐渐微缩化的趋势，有些迷你投影仪甚至可以用于较小的便携装置中。例如目前开始流行一种集成有迷你投影仪的手机，这种手机中内嵌有相关软件，能够将视频、图像等投影到附近的屏幕上，这项功能对手机用户来说是很有吸引力的。

光谱仪是一种在工业上和科学研究中广泛使用的定量检测装置，尤其是用在各种材料的检测和分析中，能够定量检测出材料的反射或透射性质随波长的变化，从而分析材料的化学性质。例如，一类基于数字微反射镜（DMD）的光谱仪是一种高效的检测装置，可采用Hadamard变换原理测量样品的光谱，能够获得较高的信噪比。例如美国专利US20080174777A文件揭露了一种基于DMD的光谱仪，来自待测样品的光被光收集装置收集后导向狭缝，从狭缝发出的光穿过准直透镜后到达作为色散元件的光栅，光栅将光束分成光谱。然后该光谱通过聚焦透镜被聚焦到DMD上，DMD对光谱信息进行Hadamard编码。探测器完成对该光谱的检测，然后通过Hadamard变换计算得到光谱信息。

除了工业和科学研究领域，光谱仪在日常生活中也有很广泛的应用前景。例如用户可以利用光谱仪探测出包装中的食品的信息，比如用户可将光谱仪对准包装中的一片水果，从该水果反射回光谱仪的光在光谱仪内部的色散元件的作用下形成光谱，将该光谱与已知的且存储在光谱仪中的数据进行比对，即可确定该水果的成分信息，并根据该成分信息告知用户该水果是否足够成熟，是否适于食用或适于食用的时间。但是目前，光谱仪的光学部件还比较贵，很难再日常生活中广泛应用。

随着电子技术的发展，制造业将更多的目光集中到如何将多种功能集成到一个装置中，甚至是例如手机等较小的便携装置，从而利用较小的成本实现更多的功能。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种集成有投影仪和光谱仪的***，利用较小的成本即可实现投影仪和光谱仪的双重功能。另外，由于精巧的光学设计，可使投影仪和光谱仪共用一些重要的核心元件，从而可以使设计紧凑，***体积减小。

本发明提供了一种具有投影仪和光谱仪的***，所述投影仪包括空间光调制器和投影元件，所述光谱仪包括探测器和与所述投影仪共用的空间光调制器，其中所述空间光调制器包括多个能够独立控制的单元，所述多个单元中的每个单元能够调整入射到其上的光的出射方向，所述空间光调制器、探测器和投影元件的相对位置被布置为能够使所述空间光调制器中的每一个单元处于第一状态时，入射到其上的光被调制后入射到所述探测器上，处于第二状态时，入射到其上的光被调制后入射到所述投影元件上。

根据本发明提供的***，所述投影仪和所述光谱仪还包括共用的光源，由于共用了体积较大的光源，可减小***的体积，另外还可以降低成本。

根据本发明提供的***，还包括具有至少两个状态的光路切换装置，当所述光路切换装置处于第一状态时，光源发出的光经过光谱仪包括的分光单元后入射到所述空间光调制器上并被所述空间光调制器调制，由所述探测器接收调制后的光，从而使所述***处于光谱分析模式；当所述光路切换装置处于第二状态时，光源发出的光入射到空间光调制器上并被所述空间光调制器调制，使所述***处于投影模式。

根据本发明提供的***，其中当所述光路切换装置处于第一状态时，将所述光源发出的光导向第一光路，当所述光路切换装置处于第二状态时，将所述光源发出的光导向第二光路，其中所述光谱仪的分光单元位于第一光路中，当所述光路切换装置将所述光源发出的光导向第一光路时，所述光源发出的光入射到待测样品上，经待测样品反射后经过所述分光单元，然后入射到所述空间光调制器，当所述光路切换装置将所述光源发出的光导向第二光路时，所述光源发出的光入射到所述空间光调制器上，为所述空间光调制器提供照明功能。该***结构紧凑，结构简单，无需精密的光学元件。

根据本发明提供的***，其中所述光谱仪的分光单元包括狭缝、色散元件、用于使从所述狭缝出射的光平行入射到色散元件上的准直元件和用于会聚所述色散元件产生的光的会聚元件。

根据本发明提供的***，其中所述分光单元还包括光线收集元件，用于收集待测样品反射的光，并使收集到的光入射到所述狭缝。

根据本发明提供的***，其中所述光路切换装置为位置可变的反射镜，通过控制反射镜与所述光源发出的光之间的角度而将所述光源发出的光导向第一光路或第二光路。

根据本发明提供的***，该***还包括第一全内反射棱镜，其用于调整入射到其上的光的方向并使该光入射到所述空间光调制器上，并使得被空间光调制器调制后的光透射过所述第一全内反射棱镜入射到所述投影元件或探测器上。

根据本发明提供的***，该***还包括第二全内反射棱镜，所述第一光路和第二光路之一中的光被导向至所述第二全内反射棱镜的全内反射面，并被所述第二全内反射棱镜的全内反射面反射至所述空间光调制器上，所述第一光路和第二光路中的另一个中的光透射过所述第二全内反射棱镜，然后入射至所述空间光调制器上。

根据本发明提供的***，其中所述光源还包括光束均化器，用于使所述光源发出的光均匀。

根据本发明提供的***，其中所述光源还包括色轮，所述色轮包括白色滤光片，当所述***处于光谱分析模式时，色轮起作用的为所述白色滤光片。

根据本发明提供的***，其中所述第一光路和第二光路在所述空间光调制器之前重合。

根据本发明提供的***，其中在所述探测器与空间光调制器之间具有收集透镜。

本发明还提供了一种包括上述***的移动通讯装置。

本发明提供的***，结构紧凑、简单，无需精密的光学元件，利用较小的成本即可实现投影仪和光谱仪的双重功能。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为根据本发明的一个实施例提供的***工作在光谱仪模式的结构示意图；

图2为根据本发明的一个实施例提供的***工作在投影仪模式的结构示意图；

图3为色轮的俯视示意图；

图4为DMD的结构示意图；

图5为微反射镜结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1

本实施例提供了一种集成有投影仪和光谱仪的***，其光路结构如图1和图2所示，其中图1中示出了该***工作于光谱分析模式的状态，图2示出了该***处于投影模式的状态，该***可在这两种工作模式下切换。本实施例提供的集成有投影仪和光谱仪的***包括下述部件。

照明光源，用于提供照明光束，包括发光元件101、反射元件104、色轮2和光束均化单元3，该光束均化单元3包括光束均化器（例如可以为积分棒、微透镜阵列等）和聚光元件，其中发光元件101发出的光100被反射元件104会聚到色轮2上，透射过色轮2后再穿过光束均化单元3，由于光束均化单元3中的光束均化器和聚光元件，从而获得均匀的照明场，所述色轮2的俯视图如图3所示，包括围绕色轮的中心轴设置的红色、绿色、蓝色和白色滤光片，当该***工作在光谱分析模式下时，色轮的位置被设置为使发光元件101发出的光100被会聚到色轮2的白色滤光片上，从而获得波长范围较宽的白光，以供光谱分析所用；当该***工作在投影模式下时，色轮2处于旋转状态，以获得彩色的投影图像。

分光单元，包括光线收集元件6（在本实施例中为凸透镜）、狭缝7、准直元件8、衍射光栅9、反射镜10和光线会聚元件11。

DMD14，被所述***的投影仪和光谱仪所共用，DMD是一种双稳态的空间光调制器，其结构如图4所示，是由多个独立控制的微反射镜单元1401（每个微反射镜1401的结构如图5所示）构成的阵列，每个微反射镜单元1401可被控制器寻址从而处于第一倾角（打开On状态）或第二倾角（关闭Off状态），当微反射镜单元1401处于On状态（第一倾角）时，使入射到其上的光反射到X方向，当微反射镜单元1401处于Off状态（第二倾角）时，使入射到其上的光反射到Y方向，当***工作于光谱分析模式时，DMD14对光谱信息进行例如Hadamard编码，当***工作于投影仪模式时，DMD14被用作数字成像芯片。

投影元件17，位于DMD14的X方向上，接收被DMD14中的各个处于On状态的微反射镜单元1401反射的光，并将其投影到屏幕18上，以形成投影图像。探测器16，位于DMD14的Y方向上，接收被DMD14中的各个处于Off状态的微反射镜单元1401反射的光，以用于光谱分析，探测器16与DMD14之间还具有聚光透镜15，用于将Y方向上的光收集到探测器16中。

第一TIR（全内反射）棱镜13，位于DMD14上方，用于分离入射光线与反射光线。第二TIR棱镜12，用于使来自两个方向的光均导向第一TIR棱镜13。模式切换反射镜4，具有如图1中所示的平行于照明光源1所发出的照明光的第一位置以及如图2所示的与照明光源1所发出的照明光呈45°的第二位置。

其中，当该模式切换反射镜4处于如图1所示的第一位置时，该***处于光谱分析模式，此时照明光源1所发出的照明光不受该模式切换4的反射作用，直接入射到待测样品5上，待测样品的材料在照明光的照射下吸收、反射并散射光，由于待测样品的材料对不同波长的光的吸收强度不同，因此可通过测量被待测样品反射和散射的光的光谱成分而分析待测样品的性质，分光单元中的光线收集元件6收集被待测样品反射和散射的光并使所收集到的光会聚到狭缝7，准直元件8将从狭缝透过的光准直成平行光束200，该平行光束200入射到衍射光栅9而发生色散，色散后的光被反射镜10反射再被光线会聚元件11会聚后入射到第二TIR棱镜12，并被其全内反射面反射到第一TIR棱镜13上，然后被第一TIR棱镜13的全内反射面反射到DMD14上，DMD14根据加载到其上的数据而控制各个微反射镜1401的状态，其中处于On状态的微反射镜1401将光反射到X方向上，穿过第一TIR棱镜13的全内反射面后入射到投影元件17中（这部分光对光谱分析是无用的），处于Off状态的微反射镜1401将光反射到Y方向上，穿过第一TIR棱镜13的全内反射面后入射到探测器16中，用于光谱分析，其中DMD14的控制方式为本领域公知技术，例如常用的Hadamard转换、振幅调制、频率调制、随机编码图案或其他类似的变换等。

其中，当该模式切换反射镜4处于如图2所示的第二位置时，该***处于投影模式，此时照明光源1所发出的照明光被模式切换反射镜4反射到第二TIR棱镜12，并透过第二TIR棱镜12的全内反射面，入射到第一TIR棱镜13，被第一TIR棱镜13的全内反射面反射到DMD14上，DMD14根据加载到其上的数据而控制各个微反射镜1401的状态，其中处于On状态的微反射镜1401将光反射到X方向上，穿过第一TIR棱镜13的全内反射面后入射到投影元件17中，然后被投影到屏幕18上，以形成投影图像，处于Off状态的微反射镜1401将光反射到Y方向上，穿过第一TIR棱镜13的全内反射面后入射到探测器16中（这部分光对投影模式是无用的）。

综上，在上述实施例提供的***中，光谱仪和投影使用了公共的照明光源和DMD，公共的照明光源发出的照明光被模式切换反射镜4反射到第一光路（对应于光谱分析模式）或第二光路（对应于投影模式），第一光路和第二光路共用第二TIR棱镜12，并汇合到DMD14上，其中所述第一光路还经过待测样品和分光单元。因此，在光谱仪模式下，照明光依次经过待测样品、分光单元、第二TIR棱镜12、第一TIR棱镜13、DMD14和探测器16，这些元件构成了典型的光谱仪的结构，在投影仪模式下，照明光依次经过切换反射镜4、第二TIR棱镜12、第一TIR棱镜13、DMD14和投影元件17，这些元件构成了典型的投影仪的结构。可利用本领域公知的技术控制上述DMD14、色轮2等，以实现投影仪或光谱仪的功能。

本实施例通过共用照明光源和DMD而将光谱仪和投影仪集成在一起，形成了可实现投影仪和光谱仪双重功能的***。该***结构简单，无需精密的光学元件，由于共用了价格较高的DMD而大大节省了成本，由于共用了体积较大的光源而大大的缩小了***体积。

根据本发明的其他实施例，其中上述光源1的结构不限于上述实施例中所述的光源的结构，也可以为本领域已知的适用于光谱仪和投影仪的光源。上述实施例所述的***中仅采用一个光源作为投影模式和光谱分析模式共用的光源，从而缩小体积并节约成本，但是也可以采用分别用于投影模式和光谱分析模式的两个光源，例如在对于***的性能要求较高，共用的光源无法同时满足高品质的投影和光谱分析功能的情况下，可以采用两个光源。

根据本发明的其他实施例，其中DMD14也可以由其他的空间光调制器来替代，例如液晶空间光调制器（或液晶光阀）、数字光处理器（DLP）、光栅光阀（GLV）等，通过阅读本发明，本领域技术人员可以理解的是，本发明中的空间光调制器是指包括多个能够独立控制的单元、且每个单元能够调制入射到其上的光的出射方向的器件，凡是能够实现这种功能的元件都可包含在本发明所说的空间光调制器中，均可用于本发明所提供的***。上述实施例中的DMD14是通过反射的方式对入射到其上的光进行出射方向的调制的，根据本发明的其他实施例，也可以采用其他的方式（例如透射）调制光的出射方向，例如可采用液晶光阀作为空间光调制器，将入射到空间光调制器上的光透射到不同方向，以实现出射方向的调制，这是只需相应地改变投影元件和探测器的位置，使二者能够分别接收到不同出射方向的光即可。

根据本发明的其他实施例，其中上述光束均化器也可以为其他能够获得均匀的照明场的元件，例如微透镜阵列或聚光元件。

根据本发明的其他实施例，其中照明光源1发出的照明用的光束优选为平行光束，但本领域技术人员公知的是，投影仪和光谱仪也可以利用近似平行的光束或非平行的光束进行照明，只要是能够满足投影仪和光谱仪的应用的照明光源均可被用于本发明。

根据本发明的其他实施例，其中所述分光单元的结构并不限于上述实施例中所提供的结构，例如所述衍射光栅可替换为棱镜，反射镜10和光线会聚元件11可利用凹面反射镜代替等，本领域技术人员可根据实际使用而对分光单元的组成和结构进行改变，只要是能够实现对被待测样品反射和散射的光进行分光的功能即可。

根据本发明的其他实施例，其中所述模式切换反射镜4也可以替换为其他的能够实现光路切换的装置，只要是能够实现将入射光切换到方向不同的两个光路中的装置均可用于本发明。

在上述实施例中，在DMD上放置第一TIR棱镜13，从而是将入射光线与反射光线分开一较大的角度，以防止其相互干扰，根据本发明的其他实施例，第一TIR棱镜13也可以被省略，使光直接入射到DMD上。

根据本发明的其他实施例，其中探测器的位置与投影元件的位置也可以互换。

在上述实施例中，所述第一光路中的光被第二TIR棱镜12的全内反射面反射，而所述第二光路中的光穿过第二TIR棱镜12的全内反射面，根据本发明的其他实施例，也可以使第一光路中的光透过第二TIR棱镜12的全内反射面，而所述第二光路中的光被第二TIR棱镜12的全内反射面反射，只需相应地调整DMD、探测器和投影元件的位置即可。

上述实施例中，第二TIR棱镜12用于使第一光路和第二光路导向到DMD14上。根据本发明的其他实施例，第二TIR棱镜12也可以替换为其他元件，只要是能够使两个方向的光导向成一个方向的元件即可。第二TIR棱镜12也可以被省略，通过设置光路的结构，使第一光路和第二光路直接导向在DMD14上。

上述实施例所提供的光路拓扑结构为优选结构，这种光路结构只需少量的简单的学元件少，且***的结构更加紧凑。根据本发明的其他实施例，上述实施例提供的优选拓扑结构并非对本发明的限制，本领域技术人员也可以根据本发明提供的内容而对该***的光路拓扑结构做出改变，但依然属于本发明公开的范围。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

附图标记列表

照明光源1、发光元件101、反射元件104、色轮2、光束均化单元3、照明光源发出的光100、待测样品5、光线收集元件6、狭缝7、准直元件8、衍射光栅9、反射镜10、光线会聚元件11、DMD14、微反射镜单元1401、投影元件17、探测器16、聚光透镜15、第一TIR棱镜13、第二TIR棱镜12、切换反射镜4、光束200、屏幕18。

Claims (13)

1.一种具有投影仪和光谱仪的***，其特征在于：所述投影仪包括空间光调制器和投影元件，所述光谱仪包括探测器和与所述投影仪共用的空间光调制器，其中所述空间光调制器包括多个能够独立控制的单元，所述多个单元中的每个单元能够调整入射到其上的光的出射方向，所述空间光调制器、探测器和投影元件的相对位置被布置为能够使所述空间光调制器中的每一个单元处于第一状态时，入射到其上的光被调制后入射到所述探测器上，处于第二状态时，入射到其上的光被调制后入射到所述投影元件上。

2.根据权利要求1所述的***，所述投影仪和所述光谱仪还包括共用的光源。

3.根据权利要求1所述的***，还包括具有至少两个状态的光路切换装置，当所述光路切换装置处于第一状态时，光源发出的光经过光谱仪包括的分光单元后入射到所述空间光调制器上并被所述空间光调制器调制，由所述探测器接收调制后的光，从而使所述***处于光谱分析模式；

当所述光路切换装置处于第二状态时，光源发出的光入射到空间光调制器上并被所述空间光调制器调制，由所述投影元件接收调制后的光，使所述***处于投影模式。

4.根据权利要求3所述的***，其中当所述光路切换装置处于第一状态时，将所述光源发出的光导向第一光路，当所述光路切换装置处于第二状态时，将所述光源发出的光导向第二光路，其中所述光谱仪的分光单元位于第一光路中，当所述光路切换装置将所述光源发出的光导向第一光路时，所述光源发出的光入射到待测样品上，经待测样品反射后经过所述分光单元，然后入射到所述空间光调制器，当所述光路切换装置将所述光源发出的光导向第二光路时，所述光源发出的光入射到所述空间光调制器上。

5.根据权利要求3所述的***，其中所述光谱仪的分光单元包括狭缝(7)、用于使从所述狭缝(7)出射的光平行入射到色散元件上的准直元件(8)、色散元件(9)和用于会聚所述色散元件产生的光的会聚元件(11)。

6.根据权利要求5所述的***，其中所述分光单元还包括光线收集元件(6)，用于收集待测样品反射的光，并使收集到的光入射到所述狭缝(7)上。

7.根据权利要求3所述的***，其中所述光路切换装置为位置可变的反射镜(4)，通过控制反射镜与所述光源发出的光之间的角度而将所述光源发出的光导向第一光路或第二光路。

8.根据权利要求1所述的***，该***还包括第一全内反射棱镜(13)，其用于调整入射到其上的光的方向使光入射到所述空间光调制器上，并使得被空间光调制器调制后的光透射穿过所述第一全内反射棱镜(13)入射到所述投影元件或探测器上。

9.根据权利要求4所述的***，该***还包括第二全内反射棱镜(12)，所述第一光路和第二光路之一中的光被导向至所述第二全内反射棱镜(12)的全内反射面，并被所述第二全内反射棱镜(12)的全内反射面反射至所述空间光调制器上，所述第一光路和第二光路中的另一个中的光透射过所述第二全内反射棱镜，然后入射至所述空间光调制器上。

10.根据权利要求2所述的***，其中所述光源还包括光束均化器，用于使所述光源发出的光均匀。

11.根据权利要求3所述的***，其中所述光源还包括色轮(2)，所述色轮包括白色滤光片，当所述***处于光谱分析模式时，色轮起作用的为所述白色滤光片。

12.根据权利要求1所述的***，其中在所述探测器与空间光调制器之间具有聚光透镜(15)。

13.一种移动通讯装置，其特征在于包括如权利要求1-12之一所述的***。