CN106647125B - 光学成像系统及投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学成像系统及投影系统。光学成像系统包括照明镜组、DMD光阀及投影镜头。照明镜组用于将照明光束的发散角压缩，使照明光束投射到DMD光阀的靶面上，照明光束的发散角小于等于20度。投影镜头接收DMD光阀反射的光束，并成像后投射出去。在上述光学成像系统及投影系统中，增大投影镜头的F数，从而可可以降低投影镜头设计复杂度，降低投影镜头的制作难度，并提高屏幕上的图像质量。

Description

光学成像系统及投影系统

技术领域

本发明涉及投影显示领域，特别是一种光学成像系统及投影系统。

背景技术

投影显示技术已经广泛应用于家庭、商务、教育、工程等多个领域。为了缩短投影机与屏幕之间的距离，市场上出现了超短焦投影机。超短焦投影机的特点是，采用焦距很短的光学投影镜头，实现很小的投射比。为了实现较小的投射比，一般做法是在投影镜头与屏幕之间加入反射镜，压缩光路长度，使镜头可以距离屏幕较近。

但是，超短焦投影机随着投射比的不断降低，光学投影镜组的视场角度不断增大。当照明光束发散角度较大时，即进入镜头的光束的发散角度较大。为了接收大发散角的光束，投影镜头的F数将会比较小，从而增加投影镜头的设计和制作难度，投影成像质量也会随之降低。由于镜片的中心部分是其光学性能较佳的部分，而边缘部分光学性能相对较弱。因此，当照明光束发散角度较大的时候，从而使得投影成像质量较差，比如畸变，模糊等。

在投影光路中，为了避免光能量损失，要求光学投影镜组与照明镜组之间的光瞳和F数互相匹配。目前，在超短焦投影系统中，为了尽可能多地收集光源产生的光束，为了使屏幕上图像质量达到较好的水平，投影镜头的F数一般较小，比如小于2.4。这就要求一方面，在超短焦投影镜头中使用多个非球面镜片来提高像差纠正能力，另一方面，还要提高镜头的加工和装调精度。这些措施，不仅降低了超短焦投影镜头的生产效率，增加了成本，而且最终屏幕上的图像质量很难达到非常好的水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够通过减小照明光束发散角度，增大投影镜头的F数，而提高成像质量的光学成像系统及投影系统。

一种光学成像系统，包括照明镜组、DMD光阀及投影镜头，所述照明镜组用于将照明光束的发散角压缩，使照明光束投射到所述DMD光阀的靶面上，所述照明光束的发散角小于等于20度，所述投影镜头接收所述DMD光阀反射的光束，并成像后投射出去。

一种投影系统，包括上述光学成像系统及光源，所述光源用于发出所述照明光束，所述光源位于所述照明镜组远离所述DMD光阀的一侧。

在上述光学成像系统及投影系统中，通过设计光学成像系统的光机照明光路，使用照明镜组大大压缩照明光束的发散角，照明光束的发散角小于等于20度。投影镜头的F数为投影镜头的焦距除以光瞳直径。则发散角的大小与投影镜头的F数相互成反比。当光源的发散角的大小被压缩，从而提高投影镜头的F数。增大投影镜头的F数，从而可以降低投影镜头设计复杂度，降低投影镜头的制作难度，并提高屏幕上的图像质量。

附图说明

图1为本发明实施方式的超短焦投影系统的光路图；

图2为另一发明实施方式的超短焦投影系统的结构示意图。

附图标记说明如下：1、2、超短焦投影系统；10、20、光源；11、21、照明镜组；12、22、DMD光阀；13、23、第一镜组；131、231、第一凹凸形凸透镜；132、232、第二凹凸形凸透镜；14、24、第二镜组；141、平凹形凹透镜；142、凹凸形凸透镜；143、平凸形凸透镜；241、第一平凸形凸透镜；242、第二平凸形凸透镜；15、25、光阑；16、26、全反射棱镜。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明提供一种光学成像系统及投影系统。具体在本申请中，投影系统以超短焦投影系统为例说明，光学成像系统以超短焦投影系统的光学成像系统为例进行说明。

请参阅图1，超短焦投影系统1包括光学成像系统及光源，光源用于发出照明光束。

光学成像系统包括照明镜组11、DMD光阀12及投影镜头。照明镜组11用于将照明光束的发散角压缩，使照明光束投射到所述DMD光阀12的靶面上，照明光束的发散角小于等于20度。投影镜头接收DMD光阀12反射的光束，并成像后投射出去。

在上述超短焦投影系统1中，通过设计光学成像系统的光机照明光路，使用照明镜组11大大压缩光源的发散角。投影镜头的F数为投影镜头的焦距除以光瞳直径。则发散角的大小与投影镜头的F数相互成反比。当光源的发散角的大小被压缩，从而提高投影镜头的F数。增大投影镜头的F数，从而可以降低投影镜头设计复杂度，降低投影镜头的制作难度，从而提高屏幕上的图像质量。

具体在本实施方式中，照明光路采用像方远心照明光路，即光束的主光线垂直于DMD光阀12的表面，像方远心照明光路能够使DMD光阀12靶面上得到较高的光照均匀性。

光源10发出光束。光源10发出的光源光束的角度为±30度。可以理解，光源10可以为激光光束或LED光束。此处对光源10的类型并不做任何限定。

照明镜组11包括沿光源10光束的出光方向前后排列的第一镜组13及第二镜组14。第一镜组13用于对照明光束的发散角进行初步压缩，第二镜组14用于对照明光束的发散角进行进一步压缩。第一镜组13与第二镜组14之间设有光阑15。

第一镜组13将光源光束的主光线会聚在光阑15上。照明镜组11设计过程中，第一镜组13的主要作用是将光源出射的光束角度进行压缩。具体地，第一镜组13包括2-4个镜片。可以理解，第一镜组13可以为球面镜或非球面镜。第一镜组13为球面镜的时候，球面镜的造价较低，降低照明镜组11的成本。第一镜组13为非球面镜的时候，非球面可使光学架构设计简洁。

具体在本实施方式中，第一镜组13选用多个球面镜组成。具体地，第一镜组13包括三个凸透镜。多个凸透镜包括沿光传播方向依次排列的第一凹凸形凸透镜131、第二凹凸形凸透镜132及一个双凸形凸透镜133。第一凹凸形凸透镜131的凸面与第二凹凸形凸透镜132的凸面相对设置。光源光束经第一、第二凹凸形凸透镜132及一个双凸形凸透镜会聚，使光束能够使主光线会聚在光阑15上。第一凹凸形凸透镜131、第二凹凸形凸透镜132及一个双凸形凸透镜133的造价交底，降低第一镜组13的制作成本。

光阑15限制进光光束的角度。光阑15的作用是限制进入照明光路的入射光束角度的作用，决定了照明光路的光能利用率。光源光束经过光阑15进入第二镜组14。

第二镜组14使各个不同视场角度光束角度压缩，以满足DMD光阀12的靶面光束角度要求。第二镜组14的主要作用是将从第一镜组13出射的光束进一步压缩，使其达到DMD光阀12的入射光束的角度要求。同时，使不同视场的主光线垂直入射到DMD光阀12，实现像方远心。具体地，第二镜组14包括2-5个镜片。可以理解，第二镜组14为球面镜或非球面镜。

具体在本实施方式中，第二镜组14包括三个球面透镜。且，三个球面透镜为沿光传播方向依次排列的平凹形凹透镜141、凹凸形凸透镜142及平凸形凸透镜143。平凹形凹透镜141的凹面与凹凸形凸透镜142的凹面相对设置，凹凸形凸透镜142的凸面与平凸形凸透镜143的平面相对设置。通过光阑15的光束进入第二镜组14，经第二镜组14压缩，使光束能够全部投射到DMD光阀12上。

具体在本实施方式中，当照明光路为像方远心光路的时候，照明光路系统满足如下关系式：

其中，设照明系统光接收面的光束角度为U1，即，光源的光束角度为U1，DMD光阀12的光束角度为U2，光源出光面距离照明镜组11的最前镜面中心的距离为L1，照明镜组11的最后镜面中心到DMD光阀12的距离为L2。

即，L1为光源出光面距第一镜组13的第一凹凸形凸透镜131中心的距离，即为物距。L2为第二镜组14的平凸形凸透镜143中心距DMD光阀12的距离，即为像距。

由于超短焦投影系统1的放大倍率已定，为了减小照明镜组11的体积，需要保证光源出光面到第一凹凸形凸透镜131中心的距离L1尽量小，从而限定第二镜组14的平凸形凸透镜143中心距DMD光阀12的距离L2不会过长，避免照明镜组11的体积过大。

通过上述关系式可知，当光源出射角度U1一定时，如果要使得DMD光阀12的光束角度U2尽量小，则U1/U2的比值较大。因此需要L2/L1的比值较大，即上述的实现过程中，L1尽可能小，而L2尽量较大，也就是增加第二镜组14与DMD光阀12之间的距离，比较利于实现较小的角度U2。这是因为，对于照明镜组来说，放大倍率仅与物距和像距有关，即与此处的L1、L2的比值有关。物距和像距相对于一个理想放大透镜时测量的时候，其物面和像面位置都容易确定。但当为多个透镜组成的镜组时，其物面和像面可以位于多个透镜之间，物距和像距也需要根据实际的物面和像面来确定，L1、L2并不一定是实际的物距和像距。因此在上述公式中，存在常量常数的估算值，该常数的变化与不同镜组的光学主面的位置有关。

并且，在照明镜组11设计过程中，根据光学扩展量守恒,照明镜组11需要满足以下关系式：

其中，照明系统光接收面的光束角度为U1，即光源的光束角度为U1，DMD光阀12的光束角度为U2，照明系统的入光面的尺寸为Y1，DMD光阀12的光接收面尺寸为Y2。照明光路系统满足光学扩展量守恒，光学扩展量为光束所通过的面积和光束所占有的立体角的积分。

则光源光束经过照明镜组11的第一镜组13及第二镜组14之后，光束发散角的角度被压缩到±8度，降低投影镜头设计复杂度及制作难度。

具体在本实施方式中，光学成像系统还包括全反射棱镜16。全反射棱镜16设于第二镜组14与DMD光阀12之间。在照明光路设计过程中，全反射棱镜16可以等效为具有一定厚度的平行平板，需要保证入射光束在全反射棱镜的斜面上的入射角度满足全反射要求。

请参阅图2，在其他实施方式中，照明光路采用像方非远心照明光路，即光束的主光线不垂直于DMD光阀的表面，像方非远心照明光路能够使照明光路的体积缩小，但是在DMD光阀靶面上得到较高的光照均匀性比像方远心照明光路的光照均匀性。本实施方式的超短焦投影系统2与像方远心照明光路下的超短焦投影系统1相对比，相同部分内容不再赘述，其不同之处在于：

光学成像系统中的第一镜组23包括两个凸透镜。且，两个凸透镜为沿光传播方向依次排列的第一凹凸形凸透镜231、第二凹凸形凸透镜232。第一凹凸形凸透镜231的凸面与第二凹凸形凸透镜232的凸面相对设置。光源20光束经第一凹凸形凸透镜231、第二凹凸形凸透镜232会聚，使光束能够使主光线会聚在光阑25上。

光阑25限制进光光束的角度。光阑25的作用是限制进入照明光路的入射光束角度的作用，决定了照明光路的光能利用率。光源20光束经过光阑25进入第二镜组24。

具体地，第二镜组24包括两个凸透镜。且，两个凸透镜为沿光传播方向依次排列的第一平凸形凸透镜241及第二平凸形凸透镜242。第一平凸形凸透镜241的凸面与第二平凸形凸透镜242的平面相对设置。通过光阑15的光束进入第二镜组24，经第二镜组24压缩，使光束能够全部投射到DMD光阀22上。

照明光路为像方非远心光路的时候，照明光路系统满足如下关系式：

其中，照明系统光接收面的光束角度为U1，即光源20的光束角度为U1，DMD光阀22的光束角度为U2，光源20出光面距离照明镜组21的最前镜面中心的距离为L1，照明镜组21的最后镜面中心到DMD光阀22的距离为L2。

即，L1为光源20出光面距第一镜组23的第一凹凸形凸透镜231中心的距离，即为物距。L2为第二镜组24的第一平凸形凸透镜241中心距DMD光阀22的距离，即为像距。并且，在照明镜组21设计过程中，根据光学扩展量守恒,照明镜组21需要满足以下关系式：

其中，照明系统光接收面的光束角度为U1，即光源10的光束角度为U1，DMD光阀22的光束角度为U2。

则光源光束经过第一镜组23与第二镜组24之后，光源光束的发散角角度被压缩到±10度。即U2＝20°时，光学投影镜头的F数等于2.88，可以与光学照明镜组匹配，该参数下比较容易实现超短焦投影镜头，降低投影镜头设计复杂度及制作难度。

像方远心光路和像方非远心光路的根本区别是主光线是否平行。像方非远心光路与像方非远心光路相比，像方非远心光路的照明光束在DMD光阀22上的照度均匀性更好。

本实施方式的超短焦投影系统，通过将光学成像系统的照明镜组分为第一镜组与第二镜组。并且，限定第一镜组与第二镜组的距离关系，能够利于实现较小角度的光源光束能够入射至DMD光阀上。

从而提高投影镜头的F数，降低投影镜组的设计难度，降低超短焦投影系统整体的调试难度和生产成本。同时，实现较小角度的光源光束入射到DMD光阀上，有利于提高DMD光阀的光效，提升超短焦投影系统的光能利用率。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种光学成像系统，其特征在于，包括照明镜组、DMD光阀及投影镜头，所述照明镜组用于将照明光束的发散角压缩，使照明光束投射到所述DMD光阀的靶面上，所述照明光束的发散角小于等于20度，所述投影镜头接收所述DMD光阀反射的光束，并成像后投射出去；

所述光学成像系统的照明光路为像方远心光路，需要满足以下关系式：

其中，照明系统光接收面的光束角度为U1，DMD光阀的光束角度为U2，光源出光面距离照明镜组的最前镜面中心的距离为L1，照明镜组的最后镜面中心到DMD光阀的距离为L2。

2.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述照明镜组包括沿光源光束的出光方向前后排列的第一镜组及第二镜组，所述第一镜组与所述第二镜组之间设有光阑，所述第一镜组将光源光束的主光线会聚在所述光阑上，所述光阑限制进光光束的角度，光源光束经过所述光阑进入所述第二镜组，所述第二镜组使各个不同视场角度光束角度压缩。

3.根据权利要求2所述的光学成像系统，其特征在于，所述第一镜组包括多个球面透镜。

4.根据权利要求2所述的光学成像系统，其特征在于，所述第二镜组包括多个球面透镜。

5.根据权利要求2所述的光学成像系统，其特征在于，还包括全反射棱镜，所述全反射棱镜设于所述第二镜组与所述DMD光阀之间。

6.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统的照明光路为像方非远心光路，需要满足以下关系式：

其中，照明系统光接收面的光束角度为U1，DMD光阀的光束角度为U2，光源出光面距离照明镜组的最前镜面中心的距离为L1，照明镜组的最后镜面中心到DMD光阀的距离为L2。

7.根据权利要求1或6所述的光学成像系统，其特征在于，所述照明镜组设计过程中，需要满足以下关系式：

其中，照明系统光接收面的光束角度为U1，DMD光阀的光束角度为U2，照明系统的入光面的尺寸为Y1，DMD光阀光接收面尺寸为Y2。

8.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述照明光束的发散角为16度或20度。

9.一种投影系统，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的光学成像系统及光源，所述光源用于发出所述照明光束，所述光源位于所述照明镜组远离所述DMD光阀的一侧。