CN105717612B - 基于物方远心的全反射变焦短距投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学镜头设计领域，尤其涉及一种基于物方远心的全反射变焦短距投影光学系统。该系统包括发光面板、第一反射镜、光阑、第二反射镜、第三反射镜以及和第四反射镜。系统采用物方远心，为后续装调提供便利；重点在于利用全反射式进行变焦距光学成像系统设计，实现良好的光谱适应性，并且焦距可调，因此能调节适应更多场合；系统实现短距投影，有投影距离短，投射屏幕大的特性。本发明满足实际市场对商品适应性的要求，系统长度短、体积紧凑、重量轻、结构简单，可广泛应用于教学、文化宣传等领域。

Description

基于物方远心的全反射变焦短距投影光学系统

技术领域

本发明属于光学镜头设计领域，尤其涉及一种基于物方远心的全反射变焦短距投影光学系统。

背景技术

随着科学技术的发展和市场需求，短距投影光学系统逐渐成为热点并迅速得到广大用户的青睐。短距投影光学系统的优点在于可以有效的利用空间，在有限的空间实现大屏幕投影，而且不会产生光线遮挡和对演讲者的眩光，从而带来更舒适的投影环境。其中，全反射式投影光学成像系统不存在色差的校正，极大简化了系统的结构；通过反射镜多次进行光路的折返不仅可以缩短投影的距离，还可以减少机身的厚度。此外，反射镜材料比透射镜材料更容易得到，尤其是大口径尺寸产品；镀铝或者介质膜的反射层在很宽的波带范围内都有很高的反射率并且不会产生色差。但是，目前全反射式投影光学系统均为定焦系统，这样的投影系统在使用时会受到很多限制，因为系统焦距固定，屏幕到投影仪的距离从而也被限定，而且屏幕大小也是固定不能改变的，导致系统无法在空间条件已经限制的情况下，根据实际需要调整画面尺寸或投影距离，因此定焦投影系统不可以满足市场多样化、便利化的需求。

国内与本发明相似的技术为一篇博士学位论文“应用自由曲面的超薄投影显示系统理论和实验研究”，文章采用离轴式方法设计超薄投影镜头，提出了利用Fresnel反射镜、自由曲面代替非球面的设计方法。但是论文中四片非球面组成的离轴式反射系统为定焦系统，因此在使用时必须限制系统与屏幕的距离，使用时的限制条件比较多，比如屏幕到投影仪的距离和屏幕大小都是固定的，这样的限制会给使用者带来很多不便，使得其难以适应多样化的环境；而利用Fresnel反射镜代替非球面的设计方法会产生难以校正的色差，而且结构复杂；此外，由于离散点表述的自由曲面在像差校正、加工及检测等方面存在困难，利用自由曲面代替非球面的方法也存在缺陷。

为了克服上述缺点，特设计一种基于物方远心的，全反射变焦短距投影光学系统，首先利用光路物方远心特点使得系统装调难度降低，其次利用全反射系统光谱适应性好，没有色差的特点设计短距投影系统以提高空间利用率和系统适用性，最重要的是设计系统具有变焦的能力来提高系统的适用性，系统结构简单、长度短，最大焦距80mm，最小焦距60mm。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于物方远心的全反射变焦短距投影光学系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的超短距投影光学系统包括：发光面板(1)、第一反射镜(2)、光阑(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)和第四反射镜(6)；以上各光学元件以一定的偏心和离轴放置。

所述第一反射镜(2)为非球面反射镜，相对于图像源有一定偏心和倾角，主要作用是对发光面板发出的图像源进行放大投射，并实现将光路折叠到合适的位置。

所述光阑(3)位于第一反射镜(2)的像方焦平面，由几何光学理论，第一反射镜的像方焦平面和第一反射镜的距离为第一反射镜曲率半径的一半。因此，系统的入瞳位于无穷远处，同时由于光阑也是第一反射镜的出射光瞳，由第一反射镜射出的每一光束的主光线都通过光阑中心所在的像方焦点，物方的主光线平行于光轴，从而系统有物方远心的特点。由几何光学理论可知，物方远心的优势在于即使图像源位置有变化，主光线的位置不会因之改变，给系统的装调带来很大的便利。

所述第二反射镜(4)为非球面反射镜，具有一定偏心和倾斜以实现光路折转到正确的位置并校正系统的像差。

所述第三反射镜(5)和第四反射镜(6)为非球面反射镜，主要用以校正大角度投影产生的畸变等，并具有一定的偏心和倾斜以折叠光路，缩短投影系统的尺寸。

本发明的工作原理：从发光面板发出的图像源由第一反射镜投影放大，之后由光阑位置的设置使得系统物方远心，再经过第二反射镜校正大部分系统像差并将光轴折转向下，经过第三反射镜和第四反射镜的反射后在投影屏幕上成像。

通过本发明实现的超短距投影镜头，系统尺寸小，投影的距离短，可以实现光学系统与屏幕的距离保持不变的限制条件下进行焦距调节，从而满足市场多样化、便利化的需求。由于系统物方远心，因此对于成像面板和第一反射镜的距离在加工公差方面有较大容量。

本发明实现的超短距镜头除了具有全反射光谱适应性好的特点外，还具有变焦的特点，可以更好的适应使用环境，物方远心的光路特点使其加工难度也随之降低，有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的短焦状态结构示意图；

图2是本发明实施例的短焦状态投影示意图；

图3是本发明实施例的长焦状态结构示意图；

图4是本发明实施例的长焦状态投影示意图；

图中，1-发光面板、2-非球面反射镜、3-光阑、4-非球面反射镜、5-非球面反射镜、6-非球面反射镜、 7-投影屏幕。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例如图1所示，本发明的基于物方远心的全反射变焦短距投影光学系统包括发光面板(1)、第一反射镜(2)、光阑(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)和第四反射镜(6)；以上各光学元件以一定的偏心和离轴放置。

实施例中，图像源由发光面板(发光面板可以为DMD、LCOS、LCD等)产生，首先由第一反射镜反射。第一反射镜是非球面反射镜，与图像源有一定的偏心和倾斜，主要作用是对图像源进行投影放大。光线经过第一反射镜后经过光阑，光阑设置在第一反射镜的像方焦平面处，目的是为了使得系统物方远心，从而起到降低装调难度的作用。从光阑出射的的光线再经过第二反射镜反射到第三反射镜上。第二反射镜为非球面反射镜，主要用于校正大部分系统像差，并且第二反射镜相对于第一反射镜也有偏心和倾斜，从而将光轴折转向下到第三反射镜。光线到达第三反射镜后，由第三反射镜和第四反射镜的偏心和倾斜的配合从而使光线在投影屏幕上投影成像。

实施例中反射镜基本参数如表1所示。

实施例中，采用光阑和球面反射镜组成物方远心，利用镜片直接的空气间隔的变化实现变焦,主要有如下优点：

1.系统物方远心，优势在于即使图像源位置有变化，主光线的位置不会因之改变，给系统的加工和装调带来很大的便利。

2.系统为全反射式变焦系统，光谱适应性好，焦距可调能适应更多场合的限制条件。

3.系统实现短距投影，投射距离短，投影屏幕大。

4 .系统长度短，体积紧凑。

表1反射镜基本参数

Claims (2)

1.一种基于物方远心的全反射短距投影光学系统，其特征在于：包括：发光面板(1)、第一反射镜(2)、光阑(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)和第四反射镜(6)；在光的传播方向上，以上各光学元件以一定的偏心和离轴放置；由发光面板产生的图像源光线依次经过各光学元件后照射到屏幕上，得到最后的像；通过各个反射镜在不同轴向位置和角度的改变，可以实现系统变焦，达到适应更多场合的限制条件；该第一、第二、第三及第四反射镜均采用高次非球面，非球面系数为14阶，曲率半径分别为-139.00mm、-155.180mm、-804.523mm和-2602.276mm；所述光学系统在与屏幕的距离保持不变的限制条件下可以进行焦距调节，最大焦距80mm，最小焦距60mm；所述光学系统用于实现大屏幕投影。

2.根据权利要求1所述的一种基于物方远心的全反射短距投影光学系统，其特征在于该系统的设计方法如下：

1)、采用符合物方远心的特点设置第一反射镜(2)和光阑(3)的位置，即使图像源位置有变化，主光线的位置不会因之改变，不仅使得成像面板和第一反射镜的距离在加工公差方面有较大容量，同时为后续系统装调带来方便；

2)、使用非球面反射镜第二反射镜(4)进行像质补偿；使用非球面反射镜第三反射镜(5)和第四反射镜(6)实现畸变矫正和缩短系统尺寸；

3)、设计光学系统与屏幕的距离保持不变的限制条件下可以进行焦距调节，最大焦距80mm，最小焦距60mm。