CN105759543A - 投影光学系统及投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影光学系统及投影装置。该投影光学系统用于将进入所述投影光学系统的第一图像成像为放大的第二图像，其包括沿光路前后排列的用于将第一图像成像为第一中间像的第一光学系统；用于将第一中间像成像为第二中间像的第二光学系统；位于第二光学系统形成的第二中间像的后方，用于将第二中间像反射，形成放大的第二图像的反射镜。第一光学系统和第二光学系统具有同一主光轴；投影光学系统的透射比为0.2～0.25，焦距为-2.9mm～-3.2mm，第一图像相对于主光轴的偏移量大于120％。本发明能够有效改善像差、且实现了短距离投影大图像。

Description

投影光学系统及投影装置

技术领域

本发明涉及光学系统领域，特别是涉及投影光学系统及投影装置。

背景技术

超短焦投影镜头能够有效地缩短投影机的投影距离，是目前市面上短距离投射大尺寸画面的重要解决途径。

在缩短投影镜头焦距的设计上有三种方式：折射式、反射式和混合式。折射式设计的镜头全部由透镜组成，包括球面透镜或非球面透镜，由于这种设计的镜头其透镜镜片的数量较大且种类繁多，因此结构往往较复杂，不利于制造。反射式设计的镜头全部由反射镜组成，包括球面或非球面的反射镜，反射镜可以是凸面、凹面或平面反射镜，但非球面反射镜的加工及检测的难度较大，多片的反射镜无疑增大了镜头的成本和制造难度。混合式设计的镜头综合了折射式和反射式的技术特点，采用了透镜和反射镜相结合的设计方式，是目前市面上超短焦投影镜头的主流方案。

目前也有很多种基于先折射后反射的混合式设计原理的结构被提出。基于先折射后反射的混合式设计原理的镜头或系统，随着具体结构设计的差异，图像质量如畸变、球差或色差等也存在一定差异，尤其是在光学系统中仅成像一次就放大成像的，所成的放大的像会存在很大的像差。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种投影光学系统及投影装置，能够减小像差、提高成像质量，实现了短距离投影大图像。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种投影光学系统，该投影光学系统用于将进入所述投影光学系统的第一图像成像为放大的第二图像，其包括沿光路前后排列的：第一光学系统、第二光学系统和反射镜。第一光学系统用于将所述第一图像成像为第一中间像。第二光学系统用于将所述第一中间像成像为第二中间像。反射镜位于所述第二光学系统形成的第二中间像的后方，用于将所述第二中间像反射，形成放大的第二图像。所述第一光学系统和所述第二光学系统具有同一主光轴；所述投影光学系统的透射比为0.2～0.25，焦距为-2.9mm～-3.2mm，所述第一图像相对于主光轴的偏移量大于120％。

其中，所述第一光学系统包括沿光路前后排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；所述第一透镜为一双凸透镜，所述第二透镜为一双凸透镜，所述第三透镜为一凸凹透镜，所述第四透镜为一双凹透镜，所述第五透镜为一凸凹透镜。

其中，所述第四透镜和所述第五透镜胶合为一个整体。

其中，所述第四透镜的折射率高于所述第五透镜；所述第四透镜的色散大于第五透镜的色散；所述第四透镜的阿贝数低于所述第五透镜的阿贝数。

其中，所述第二光学系统中至少包含有一片非球面透镜。

其中，所述第二光学系统包括沿光路前后排列的第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜，第十二透镜和第十三透镜；所述第六透镜为一双凸透镜，所述第七透镜为一双凸透镜，所述第八透镜为一凸凹透镜，所述第九透镜为一凹凸透镜，所述第十透镜为一双凹透镜，所述第十一透镜为一非球面透镜，所述十二透镜为一凹凸透镜，所述第十三透镜为一凹凸透镜。

其中，所述反射镜为平面反射镜或者凹面反射镜。

其中，当所述反射镜为凹面反射镜时，所述凹面反射镜的凹面为自由曲面。

其中，其还包括孔径光阑，所述孔径光阑与所述第一光学系统具有同一主光轴；所述孔径光阑设在所述第一中间像的位置处。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种投影装置，其包括上述投影光学系统。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过设置具有相同主光轴的第一光学系统和第二光学系统，使进入投影光学系统的第一图像经过第一光学系统折射形成第一中间像，第一中间像经过第二光学系统折射成像为第二中间像，且将反射镜设置在第二光学系统形成的第二中间像后方，使该反射镜反射第二中间像而形成放大的第二图像。由于本发明先利用第一光学系统形成畸变量小的第一中间像，再通过第二光学系统修正且放大第一中间像而形成第二中间像，最后通过反射镜将第二中间像的影像光束投射至屏幕，使得在屏幕上能形成近乎无扭曲的影像。经过两次形成中间像，能有效改善像差。且本发明的结构使该投影光学系统具有较低的透射比，实现了短距离投影大图像。

附图说明

图1是本发明投影光学系统第一实施例的结构示意图；

图2是本发明投影光学系统第二实施例的结构示意图；

图3是本发明投影光学系统第三实施例的结构示意图；

图4是本发明投影装置实施例的成像原理示意图；

图5是本发明投影装置实施例成像的整体示意图。

其中，

第一图像100、400

第一光学系统101、201、301、401

第二光学系统102、202、302、402

第一中间像103、403

第二中间像104、404

反射镜105、205、405

第一透镜2011

第二透镜2012

第三透镜2013

第四透镜2014

第五透镜2015

第六透镜2021

第七透镜2022

第八透镜2023

第九透镜2024

第十透镜2025

第十一透镜2026

第十二透镜2027

第十三透镜2028

孔径光阑306、406

投影装置407

屏幕408

显示器件409

棱镜410

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明的投影光学系统及投影装置进行详细说明。

请参阅图1，是本发明投影光学系统第一实施例的结构示意图。

一种投影光学系统，用于将进入投影光学系统的第一图像100成像为放大的第二图像。该投影光学系统包括沿光路前后排列的：第一光学系统101、第二光学系统102和反射镜105。

其中，第一光学系统101用于将第一图像100成像为第一中间像103。第二光学系统102用于将第一中间像103成像为第二中间像104。反射镜105位于第二光学系统102形成的第二中间像104的后方，用于将第二中间像104反射，形成放大的第二图像。该反射镜105可以是平面反射镜，也可以是凹面反射镜，本实施例中，反射镜105为平面反射镜。第一光学系统101和第二光学系统102具有同一主光轴。投影光学系统的透射比为0.2～0.25，焦距为-2.9mm～-3.2mm，第一图像100相对于主光轴的偏移量大于120％。

区别于现有技术，本发明通过设置具有相同主光轴的第一光学系统101和第二光学系统102，使进入投影光学系统的第一图像100经过第一光学系统101折射形成第一中间像103，第一中间像103经过第二光学系统102折射成像为第二中间像104，且将反射镜105设置在第二光学系统102形成的第二中间像104后方，使该反射镜105反射第二中间像104而形成放大的第二图像。由于本发明先利用第一光学系统101形成畸变量小的第一中间像103，再通过第二光学系统102修正且放大第一中间像103而形成第二中间像104，最后通过反射镜105将第二中间像104的影像光束投射至屏幕，使得在屏幕上能形成近乎无扭曲的影像。经过两次形成中间像，能有效改善像差。通过在光线传播路径上设置反射镜105，增加了光程，从而实现短焦投影。且本发明的结构使该投影光学系统具有较低的透射比，实现了短距离投影大图像。

请参阅图2，是本发明投影光学系统第二实施例的结构示意图。本实施例中，第一光学系统201包括沿光路前后排列的第一透镜2011、第二透镜2012、第三透镜2013、第四透镜2014和第五透镜2015。第一透镜2011为一双凸透镜，第二透镜2012为一双凸透镜，第三透镜2013为一凸凹透镜，第四透镜2014为一双凹透镜，第五透镜2015为一凸凹透镜。该五块透镜将进入光学系统的第一图像成像为畸变量小的第一中间像。

轴上物点发出的光束，经光学系统以后，与光轴夹不同角度的光线交光轴于不同位置，因此，在像面上形成一个圆形弥散斑，该弥散斑称为球差。另外，不同波长的光，颜色各不相同，其通过透镜时的折射率也各不相同，这样物方一个点，在像方则可能形成一个色斑，或者使像带有晕环，使像模糊不清。因此，需要消除球差和色差，才能提高成像质量。本实施例中，为了消除球差和色差，将第四透镜2014和第五透镜2015胶合为一个整体。单块凸透镜具有负球差，单块凹透镜具有正球差，因而将单块凸透镜和单块凹透镜胶合能有效消除球差。并且，该第四透镜2014的折射率高于第五透镜2015。第四透镜2014的色散大于第五透镜2015的色散。第四透镜2014的阿贝数低于第五透镜2015的阿贝数。因而该胶合的第四透镜2014和第五透镜2015能有效消除色差，这是由于在光角度一定时，透镜的阿贝数越大，色差越小，通常情况下，凸透镜产生负色差，凹透镜产生正色差。因此，将双凹的第四透镜2014和凸凹的第五透镜2015胶合为一个整体，以使他们的色差相互补偿。此外，第四透镜2014和第五透镜2015的折射率和阿贝数差别较大，在消除色差的同时，正负球差也能够尽量减少，并且产生剩球差以平衡其他透镜的球差。

第二光学系统202至少包含有一块非球面透镜，用于修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差，通过调整曲面常数和非球面系数，非球面透镜可以最大限度的消除球差，使成像清晰，从而提高成像质量。例如，本实施例的第二光学系统202包括沿光路前后排列的第六透镜2021、第七透镜2022、第八透镜2023、第九透镜2024、第十透镜2025、第十一透镜2026，第十二透镜2027和第十三透镜2028。其中，第六透镜2021为一双凸透镜，第七透镜2022为一双凸透镜，第八透镜2023为一凸凹透镜，第九透镜2024为一凹凸透镜，第十透镜2025为一双凹透镜，第十一透镜2026为一非球面透镜，十二透镜2027为一凹凸透镜，第十三透镜2028为一凹凸透镜。该非球面透镜简化了为提高光学品质所涉及的元素，同时提高了系统的稳定性，并且降低了系统的综合成本。

反射镜205是可以是平面镜也可以是凹面反射镜。本实施例的反射镜205为凹面反射镜，该凹面反射镜与第一光学系统201具有同一主光轴，凹面反射镜的凹面为自由曲面。通过在光线传播路径上设置反射镜205，增加了光程，从而实现短焦投影，并且增加了视场角。凹面反射镜能减少图像变形，提高质量。而凹面为自由曲面的凹面反射镜具有更多的自由度，其表面光滑有质，能减少光损和画面畸变，使反射的图像亮度高和不变形，从而大大提高光学系统的像质。

请参阅图3，是本发明投影光学系统第三实施例的结构示意图。

本实施例与第二实施例的区别在于，本实施例的第一光学系统301和第二光学系统302之间还设置有一个孔径光阑306，该孔径光阑306与第一光学系统301具有同一主光轴。该孔径光阑306能提高像的清晰度，控制景深，改善成像质量，并且还能控制成像物空间的范围以及控制像面的亮度。将该孔径光阑306设在第一中间像的位置处，能改善轴外点的成像质量，使得反射光斑成分被排除，可以获得提高图像对比度的效果。孔径光阑306经过第一光学系统301所成的像与投影光学系统的出瞳相匹配。

请参阅图4和图5，图4是发明投影装置实施例的成像原理示意图；图5是本发明投影装置实施例成像的整体示意图。本发明还提供了一种投影装置407，该投影装置407包括上述投影光学系统。该投影装置407还包括沿光路依次排列的显示器件409和棱镜410。投影光学系统位于棱镜410后。显示器件409用于显示第一图像400，该第一图像400经过棱镜410和第一光学系统401折射成像为第一中间像403。第一中间像403经过孔径光阑406后被第二光学系统402折射成像为第二中间像404。反射镜405位于第二中间像404后方，其将第二中间像404反射，最终在屏幕408上形成放大的第二图像。该第一光学系统401可以为上述实施例一、二、三中的任意第一光学系统。该第二光学系统402可以为上述实施例一、二、三中的任意第二光学系统。

本发明通过两次形成中间像，改善像差，并且通过反射镜增加了光程，实现了短焦投影，且具有较低的透射比，提高了成像质量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种投影光学系统，用于将进入所述投影光学系统的第一图像成像为放大的第二图像，其特征在于，包括沿光路前后排列的：

第一光学系统，用于将所述第一图像成像为第一中间像；

第二光学系统，用于将所述第一中间像成像为第二中间像；

反射镜，位于所述第二光学系统形成的第二中间像的后方，用于将所述第二中间像反射，形成放大的第二图像；

所述第一光学系统和所述第二光学系统具有同一主光轴；所述投影光学系统的透射比为0.2～0.25，焦距为-2.9mm～-3.2mm，所述第一图像相对于主光轴的偏移量大于120％。

2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第一光学系统包括沿光路前后排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；所述第一透镜为一双凸透镜，所述第二透镜为一双凸透镜，所述第三透镜为一凸凹透镜，所述第四透镜为一双凹透镜，所述第五透镜为一凸凹透镜。

3.根据权利要求2所述的投影光学系统，其特征在于，所述第四透镜和所述第五透镜胶合为一个整体。

4.根据权利要求3所述的投影光学系统，其特征在于，所述第四透镜的折射率高于所述第五透镜；所述第四透镜的色散大于第五透镜的色散；所述第四透镜的阿贝数低于所述第五透镜的阿贝数。

5.根据权利要求4所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二光学系统中至少包含有一片非球面透镜。

6.根据权利要求5所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二光学系统包括沿光路前后排列的第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜，第十二透镜和第十三透镜；所述第六透镜为一双凸透镜，所述第七透镜为一双凸透镜，所述第八透镜为一凸凹透镜，所述第九透镜为一凹凸透镜，所述第十透镜为一双凹透镜，所述第十一透镜为一非球面透镜，所述十二透镜为一凹凸透镜，所述第十三透镜为一凹凸透镜。

7.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述反射镜为平面反射镜或者凹面反射镜。

8.根据权利要求7所述的投影光学系统，其特征在于，当所述反射镜为凹面反射镜时，所述凹面反射镜的凹面为自由曲面。

9.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，其还包括孔径光阑，所述孔径光阑与所述第一光学系统具有同一主光轴；所述孔径光阑设在所述第一中间像的位置处。

10.一种投影装置，其特征在于，包括如权利要求1-9所述的任一项所述的投影光学系统。