CN108732711A - 光路调节方法和光路调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光路调节方法和光路调节装置，其中，光路调节方法用于调节光学设备中的光路，光学设备包括光源和透镜，透镜位于光源的出射光路上，当所述光源出射的成像光束经所述透镜透射后，在成像平面上形成第一光斑；光路调节方法包括以下步骤：获取透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系；根据光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节透镜至第一轴向位置；获取透镜位于第一轴向位置时，第一光斑的第一尺寸；根据第一尺寸和光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节透镜在光轴方向上的轴向位置，直至成像光束聚焦于成像平面。本发明技术方案提高了光学设备的组装良率和效率。

Description

光路调节方法和光路调节装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种光路调节方法和光路调节装置。

背景技术

在光学设备的组装中，对其中各光学元件的位置具有很高的精度要求，特别是随着技术的发展，光学设备本身的体积进一步减小，导致组装精度进一步提高。在组装光学设备时，需要调节各光学元件的位置使成像光束能够在光路中达到聚焦状态，以保障采集或显示的图像的清晰。目前，光学设备通常由人工组装或半自动组装而成，对经验的依赖性较强，缺乏系统性，难以保证精准性和稳定性，光学设备的组装良率和组装效率都很低。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种光路调节方法，旨在解决上述光学设备中调节各光学元件位置以使成像光束聚焦的精准性和稳定性差的问题，提高光学设备的组装良率和组装效率。

为实现上述目的，本发明提出的光路调节方法，用于调节光学设备中的光路，所述光学设备包括光源和透镜，所述透镜位于所述光源的出射光路上，当所述光源出射的成像光束经所述透镜透射后，在成像平面上形成第一光斑；

所述光路调节方法包括以下步骤：

获取所述透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系；

根据所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节所述透镜至所述第一轴向位置；

获取所述透镜位于所述第一轴向位置时，所述第一光斑的第一尺寸；

根据所述第一尺寸和所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节所述透镜在光轴方向上的轴向位置，直至所述成像光束聚焦于所述成像平面。

优选地，获取所述透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系的步骤包括：

获取所述透镜对应型号的预聚焦成像距离；

根据所述预聚焦成像距离，确定成像距离的检测范围；

确定成像距离的检测步长；

对预设检测数目的同一型号透镜，在所述检测范围内，按照所述检测步长改变各透镜的成像距离，并获取与所述成像距离对应的光斑尺寸；

确定所述光斑尺寸最小时对应的成像距离Z₀；

当Z<Z₀时，根据R＝a₁*Z+b₁拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系；当Z≥Z₀时，根据R＝a₂*Z+b₂拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系；

其中，a₁为第一系数，b₁为第二系数，a₂为第三系数，b₂为第四系数，且a₁<0，a₂>0。

优选地，根据所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节所述透镜至所述第一轴向位置的步骤包括：

根据所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，计算所述光斑尺寸最小时对应的成像距离；

根据所述光斑尺寸最小时对应的成像距离，确定所述透镜在光轴方向上的第一轴向位置；

调节所述透镜至所述第一轴向位置。

优选地，根据所述第一尺寸和所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节所述透镜在光轴方向上的轴向位置，直至所述成像光束聚焦于所述成像平面的步骤包括：

根据所述第一尺寸和所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第二轴向位置和第三轴向位置；

调节所述透镜至所述第二轴向位置，并获取所述透镜位于所述第二轴向位置时，所述第一光斑的第二尺寸；

调节所述透镜至所述第三轴向位置，并获取所述透镜位于所述第三轴向位置时，所述第一光斑的第三尺寸；

确定所述第一尺寸、所述第二尺寸和所述第三尺寸中的第一最小光斑尺寸，将所述第一光斑的光斑尺寸为第一最小光斑尺寸时所述透镜在光轴方向上的位置，作为更新后的第一轴向位置，并调节所述透镜至所述第一轴向位置；

返回所述获取所述透镜位于所述第一轴向位置时，所述第一光斑的第一尺寸的步骤，直至当次获取的最小光斑尺寸大于或等于前次获取的最小光斑尺寸，或所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间的第一距离小于最小可调距离，或所述第一轴向位置和所述第三轴向位置之间的第二距离小于最小可调距离，或所述获取所述透镜位于所述第一轴向位置时，所述第一光斑的第一尺寸的步骤的累计执行次数大于或等于预设次数。

优选地，在最后一次执行所述调节所述透镜至所述第一轴向位置的步骤之后，还包括以下步骤：

根据预设步长和预设方向，确定所述透镜在光轴方向上的第四轴向位置，并调节所述透镜至所述第四轴向位置；

获取所述透镜位于所述第四轴向位置时，所述第一光斑的第四尺寸；

将调节所述透镜至所述第四轴向位置前后，所述第一光斑的光斑尺寸由大变小时所述透镜在光轴方向上的移动方向，作为更新后的预设方向；

返回执行所述根据预设步长和预设方向，确定所述透镜在光轴方向上的第四轴向位置，并调节所述透镜至所述第四轴向位置的步骤，直至累计获取的所述第四尺寸的数目大于或等于预设数目；

根据所述透镜的各第四轴向位置和对应的所述第四尺寸，确定更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系；

根据更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第五轴向位置，并调节所述透镜至所述第五轴向位置。

优选地，根据所述透镜的各第四轴向位置和对应的所述第四尺寸，确定更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系的步骤包括：

根据R＝c*Z²+d*Z+e拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系；

其中，c为第五系数，d为第六系数，e为第七系数，且c≠0。

优选地，在根据更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第五轴向位置，并调节所述透镜至所述第五轴向位置的步骤之后，还包括以下步骤：

获取所述透镜位于所述第五轴向位置时，第一光斑的第五尺寸；

确定所有所述第一尺寸、所述第二尺寸、所述第三尺寸、所述第四尺寸和所述第五尺寸中的第二最小光斑尺寸，将所述第一光斑的光斑尺寸为第二最小光斑尺寸时所述透镜在光轴方向上的位置，作为所述透镜的聚焦位置，并调节所述透镜至所述聚焦位置。

优选地，所述光学设备还包括可变反射镜，所述可变反射镜位于所述透镜的出射光路上；

在根据所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节所述透镜至所述第一轴向位置的步骤之前，所述光路调节方法还包括以下步骤：

调节所述透镜在垂直于光轴的平面上的位置，以使所述成像光束在所述可变反射镜上形成的第二光斑位于所述可变反射镜的第一预设范围内。

优选地，在根据所述第一尺寸和所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节所述透镜在光轴方向上的轴向位置，直至所述成像光束聚焦于所述成像平面的步骤之后，所述光路调节方法还包括以下步骤：

调节所述透镜在垂直于光轴的平面上的位置，以使所述成像光束在所述可变反射镜上形成的第二光斑位于所述可变反射镜的第二预设范围内；

其中，所述第二预设范围小于或等于所述第一预设范围。

本发明还提出一种光路调节装置，用于调节光学设备中的光路，所述光学设备包括光源和透镜，所述透镜位于所述光源的出射光路上，当所述光源出射的成像光束经所述透镜透射后，在成像平面上形成第一光斑；所述光路调节装置包括第一成像组件、驱动组件、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的光路调节程序，其中：所述第一成像组件位于所述透镜的出射光路上，所述第一成像组件用以接收所述第一光斑；所述驱动组件与所述透镜相连，所述驱动组件用以调节所述透镜的位置；所述光路调节程序被所述处理器执行时实现光路调节方法的步骤，所述光路调节方法包括以下步骤：获取所述透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系；根据所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节所述透镜至所述第一轴向位置；获取所述透镜位于所述第一轴向位置时，所述第一光斑的第一尺寸；根据所述第一尺寸和所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节所述透镜在光轴方向上的轴向位置，直至所述成像光束聚焦于所述成像平面。

优选地，所述光学设备还包括可变反射镜，所述可变反射镜位于所述透镜的出射光路上；所述光路调节装置还包括分束镜和第二成像组件，所述分束镜位于所述可变反射镜的出射光路上，所述第一成像组件位于所述分束镜的第一出射光路上；所述第二成像组件位于所述分束镜的第二出射光路上。

优选地，所述第一成像组件包括全息扩散屏幕和聚焦校准相机；所述第二成像组件包括共轭透镜和位置校准相机。

本发明技术方案中，光路调节方法用于调节光学设备中的光路，光学设备包括光源和透镜，透镜位于光源的出射光路上，当光源出射的成像光束经透镜透射后，在成像平面上形成第一光斑；光路调节方法包括以下步骤：获取透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系；根据光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节透镜至第一轴向位置；获取透镜位于第一轴向位置时，第一光斑的第一尺寸；根据第一尺寸和光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节透镜在光轴方向上的轴向位置，直至成像光束聚焦于成像平面。在本方案中，根据透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系，大致确定透镜的聚焦位置，即第一轴向位置，便于快速定位到聚焦位置附近，以提高光路调节的稳定性和效率，避免无章法和无规律的调节。进一步考虑到透镜之间的成像性能所存在的差异，根据光斑尺寸和光斑尺寸与成像距离之间的关系，对透镜的轴向位置进行微调，直至成像光束聚焦于成像平面，以改善聚焦效果，提高光路调节的精准性。综上所述，本发明技术方案根据第一光斑的尺寸以及光斑尺寸与成像距离之间的关系，将光路的粗调和微调相结合以调节光路，从而有利于提高光学设备的组装良率和组装效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明光路调节装置一实施例的光学设备和光路调节装置的结构示意图；

图2为本发明光路调节方法第一实施例的流程示意图；

图3为本发明光路调节方法第二实施例中步骤S100的细化流程示意图；

图4为本发明光路调节方法第二实施例中透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系示意图；

图5为本发明光路调节方法第三实施例中步骤S200的细化流程示意图；

图6为本发明光路调节方法第四实施例中步骤S400的细化流程示意图；

图7为本发明光路调节方法第五实施例中步骤S400的部分细化流程示意图；

图8为本发明光路调节方法第七实施例中步骤S400的部分细化流程示意图；

图9为本发明光路调节方法第八实施例的流程示意图；

图10为本发明光路调节方法第九实施例的流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种光路调节方法。

在本发明的第一实施例中，如图1所示，光学设备100包括光源110和透镜120，透镜120位于光源110的出射光路上，当光源110出射的成像光束经透镜120透射后，在成像平面上形成第一光斑。

具体的，本实施例中的光学设备100可以是微投影仪，为了实现投影，微投影仪中设有光源110，并通过透镜120等光学元件对光源110出射的成像光束进行调制。为了减小微投影仪等光学设备所占的空间，还可以在光路上设置反射镜140等，以改变光的传播方向，提高光学设备中的空间利用率。在调节微投影仪时，通过调节透镜120的位置，使成像光束聚焦于成像平面。需要注意的是，这里的透镜可以是单一的透镜，也可以是能够满足一定成像要求的透镜组，在调节光路时，对透镜组的调节方式可参考单一透镜的调节方式，以聚焦成像光束。

如图2所示，光路调节方法包括以下步骤：

步骤S100、获取透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系；

对于同种型号的透镜而言，其光斑尺寸与成像距离之间的关系是基本一致的，可以通过查询该型号透镜的性能参数得到，也可以通过实验检测与光学设备中同种型号的透镜的光斑尺寸与成像距离得到。随着成像距离与聚焦位置对应的聚焦距离之间的差的绝对值的增大，光斑尺寸也逐渐增大。在实践中，可以采用多段函数或者二次函数等形式对光斑尺寸相对成像距离的变化进行拟合，后文中还将详细阐述。

步骤S200、根据光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节透镜至第一轴向位置；

根据光斑尺寸与成像距离之间的关系，得到光斑尺寸最小或接近最小时，透镜在光轴方向上的第一轴向位置，以确定透镜大致的聚焦位置。需要注意的是，透镜在光轴方向上的轴向位置和透镜的成像距离之间可能并非完全一致的，而是存在与光路结构相关的一定的转换关系。通过将透镜调节至第一轴向位置，使成像光束接近于聚焦状态，以便提高后续调节的效率。

步骤S300、获取透镜位于第一轴向位置时，第一光斑的第一尺寸；

即使对于同一型号的透镜而言，对于不同的透镜，其成像性能通常也会存在微小的差别，因此，单纯根据透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系，难以获得准确的透镜的聚焦位置。但是，通过获取透镜位于第一轴向位置时第一光斑的第一尺寸，可以估测出当前的聚焦状态。通常，第一尺寸越小，表明当前状态越接近聚焦状态。

步骤S400、根据第一尺寸和光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节透镜在光轴方向上的轴向位置，直至成像光束聚焦于成像平面。

由于第一光斑的第一尺寸和聚焦状态之间存在一定的联系，因此，根据第一尺寸，结合光斑尺寸与成像距离之间的关系，继续对透镜在光轴方向上的轴向位置进行调节，通常为微调即可，直至成像光束聚焦于成像平面。在一具体示例中，根据光斑尺寸与成像距离之间的关系，得到第一光斑可能达到的最小尺寸。当第一尺寸与最小尺寸之间的差大于某一预设差值时，可以按照预设方向调节透镜的位置，同时监测第一光斑的第一尺寸的变化，若第一尺寸变小，则表明调节方向正确；否则，按照反方向调节透镜的位置，直至第一尺寸和最小尺寸之间的差小于或等于某一预设差值。在另一具体示例中，也可以根据第一尺寸，结合光斑尺寸与成像距离之间的关系，计算出当前的成像距离，并直接调节透镜至对应于聚焦距离的轴向位置，结合第一尺寸的变化状态，对透镜位置进行持续调节，直至成像光束达到聚焦状态，后文中还将详细阐述。

在本实施例中，光路调节方法用于调节光学设备中的光路，光学设备100包括光源110和透镜120，透镜120位于光源110的出射光路上，当光源110出射的成像光束经透镜120透射后，在成像平面上形成第一光斑；光路调节方法包括以下步骤：获取透镜120对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系；根据光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜120在光轴方向上的第一轴向位置，并调节透镜120至第一轴向位置；获取透镜120位于第一轴向位置时，第一光斑的第一尺寸；根据第一尺寸和光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节透镜120在光轴方向上的轴向位置，直至成像光束聚焦于成像平面。在本方案中，根据透镜120对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系，大致确定透镜120的聚焦位置，即第一轴向位置，便于快速定位到聚焦位置附近，以提高光路调节的稳定性和效率，避免无章法和无规律的调节。进一步考虑到透镜之间的成像性能所存在的差异，根据光斑尺寸和光斑尺寸与成像距离之间的关系，对透镜120的轴向位置进行微调，直至成像光束聚焦于成像平面，以改善聚焦效果，提高光路调节的精准性。综上所述，本发明技术方案根据第一光斑的尺寸以及光斑尺寸与成像距离之间的关系，将光路的粗调和微调相结合以调节光路，从而有利于提高光学设备的组装良率和组装效率。

基于上述第一实施例，在本发明的第二实施例中，如图3所示，步骤S100包括：

步骤S110、获取透镜对应型号的预聚焦成像距离；

步骤S120、根据预聚焦成像距离，确定成像距离的检测范围；

步骤S130、确定成像距离的检测步长；

步骤S140、对预设检测数目的同一型号透镜，在检测范围内，按照检测步长改变各透镜的成像距离，并获取与成像距离对应的光斑尺寸；

步骤S150、确定光斑尺寸最小时对应的成像距离Z₀；

步骤S161、当Z<Z₀时，根据R＝a₁*Z+b₁拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系；

步骤S162、当Z≥Z₀时，根据R＝a₂*Z+b₂拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系；

其中，a₁为第一系数，b₁为第二系数，a₂为第三系数，b₂为第四系数，且a₁<0，a₂>0。

在本实施例中，光斑尺寸与成像距离之间的关系可以通过测量预设检测数目(通常为50～100)的同型号透镜中，光斑尺寸与成像距离之间的关系，并进一步进行统计和拟合获得。透镜对应型号的预聚焦成像距离可以是理想状态下，或者该型号透镜所标注的聚焦成像距离。当然，事实上的聚焦成像距离可能略有差别。根据预聚焦成像距离，确定成像距离的检测范围，也就是在预聚焦成像距离为中心的一定范围内进行测试，以保障检测范围覆盖聚焦成像距离。检测步长越小，则检测的精确度越高，检测步长越大，则检测的效率越高，可根据实际需求进行选择。将所有预设检测数目的透镜的光斑尺寸与成像距离的关系绘制在图中，并拟合上述关系。在本实施例中，采用分段线性函数对光斑尺寸与成像距离之间的关系进行拟合。如图4所示，为一种具体型号的透镜的光斑尺寸与成像距离之间的关系示意图，根据绘制的图像可得光斑尺寸最小时对应的成像距离Z₀，分别在光斑尺寸最小点的左侧和右侧采用不同的线性函数进行拟合。在图4中，检测步长为1μm，测量范围约为300μm，拟合得到的光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系为：在欠焦情况下，R＝135538Z+514588，在过焦情况下，R＝-83849Z-315434。

基于上述各实施例，在本发明的第三实施例中，如图5所示，步骤S200包括：

步骤S210、根据光斑尺寸与成像距离之间的关系，计算光斑尺寸最小时对应的成像距离；

步骤S220、根据光斑尺寸最小时对应的成像距离，确定透镜在光轴方向上的第一轴向位置；

步骤S230、调节透镜至第一轴向位置。

具体的，可以通过计算对应于光斑尺寸与成像距离之间的关系的拟合函数的极小值或最小值，得到光斑尺寸最小时对应的成像距离。由于成像距离与透镜在光轴方向上的轴向位置可能存在一定的转换关系，因此通过成像距离计算得出透镜的第一轴向位置，并调节透镜至第一轴向位置，以初步达到接近聚焦的状态。

基于上述各实施例，在本发明的第四实施例中，如图6所示，步骤S400包括：

步骤S411、根据第一尺寸和光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜在光轴方向上的第二轴向位置和第三轴向位置；

步骤S412、调节透镜至第二轴向位置，并获取透镜位于第二轴向位置时，第一光斑的第二尺寸；

步骤S413、调节透镜至第三轴向位置，并获取透镜位于第三轴向位置时，第一光斑的第三尺寸；

步骤S414、确定第一尺寸、第二尺寸和第三尺寸中的第一最小光斑尺寸，将第一光斑的光斑尺寸为第一最小光斑尺寸时透镜在光轴方向上的位置，作为更新后的第一轴向位置，并调节透镜至第一轴向位置；

返回步骤S300，直至当次获取的最小光斑尺寸大于或等于前次获取的最小光斑尺寸，或第一轴向位置和第二轴向位置之间的第一距离小于最小可调距离，或第一轴向位置和第三轴向位置之间的第二距离小于最小可调距离，或步骤300的累计执行次数大于或等于预设次数。

由于不同的透镜120的成像性能通常存在差别，还需要进一步优化其聚焦位置。通过获取透镜120位于第一轴向位置时，第一光斑的第一尺寸，再根据第一尺寸和光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜120在光轴方向上的第二轴向位置和第三轴向位置。根据图4可知，在第一光斑没有达到最小尺寸的情况下，对应于同一第一尺寸，第一透镜可能位于对应欠焦的位置，也可能位于对应过焦的位置，此时尚不能确定第一轴向位置对应于欠焦还是过焦，通过分别调节透镜120至第二轴向位置和第三轴向位置，并获取第一光斑的第二尺寸和第三尺寸，比对第一尺寸、第二尺寸和第三尺寸，得到其中最小的光斑尺寸，即第一最小光斑尺寸，第一最小光斑尺寸对应的透镜120的位置更接近于聚焦位置，将该位置作为更新后的第一轴向位置，并调节透镜120至更新后的第一轴向位置。返回步骤S300，以此类推继续对透镜120在光轴方向上的位置进行调节，直至当次获取的最小光斑尺寸大于获等于前次获取的最小光斑尺寸，也就是该方法难以再有效优化聚焦。或者，考虑到透镜120的位置调节并不是绝对连续的，当第一轴向位置和第二轴向位置之间的第一距离小于最小可调距离时，实际上已经不能进行精确调节，此时也停止继续调节。同理，当第一轴向位置和第三轴向位置之间的第二距离小于最小可调距离时，实际上也已经不能进行精确调节，则停止继续调节。又或者，当步骤S300的累计执行次数大于或等于预设次数时，也就是已经调节多次后，则停止继续调节，以提高调节效率，避免多次无效重复。

基于上述第四实施例，在本发明的第五实施例中，如图7所示，在步骤S414’、最后一次调节透镜120至第一轴向位置之后，还包括以下步骤：

步骤S421、根据预设步长和预设方向，确定透镜120在光轴方向上的第四轴向位置，并调节透镜120至第四轴向位置；

步骤S422、获取透镜120位于第四轴向位置时，第一光斑的第四尺寸；

步骤S423、将调节透镜120至第四轴向位置前后，第一光斑的光斑尺寸由大变小时透镜120在光轴方向上的移动方向，作为更新后的预设方向；

返回执行步骤S421，直至累计获取的第四尺寸的数目大于或等于预设数目；

步骤S424、根据透镜120的各第四轴向位置和对应的第四尺寸，确定更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系；

步骤S425、根据更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜120在光轴方向上的第五轴向位置，并调节透镜120至第五轴向位置。

在第四实施例中，通过不断更新透镜120的第一轴向位置，使透镜120的位置逐步接近于聚焦位置。而在本实施例中，为了进一步优化透镜120的聚焦位置，在最后一次调节透镜至第一轴向位置之后，基于本次所调节的具体光路，对其中的透镜120的光斑尺寸与成像距离之间的关系进行重新拟合，并根据拟合结果确定聚焦成像距离，进而确定更准确的透镜聚焦位置。在拟合过程中，根据预设步长和预设方向采集测量点，在各测量点，所采样的具体参量包括第四轴向位置和第一光斑的第四尺寸。需要注意的是，测量点的位置并不是根据单一预设方向所采集的，而是根据本次采样中光斑尺寸由大变小的方向，确定预设方向，尽可能使采集的测量点能够涵盖光斑尺寸最小的范围，直至采集的测量点的数目达到预设数目N。预设步长δ可以取2*d₀/(N-1)和最小可调距离之间的较小值，其中，d₀为总的采集范围。

在某些情况下，也可能出现无法按照上述方式确定预设方向的情况，则根据已有的透镜的光斑尺寸与成像距离之间的关系，在光斑尺寸最小的测量点两侧分别取一定数目的测量点，对光斑尺寸与成像距离之间的关系进行拟合。

通过拟合预设数目的第四轴向距离和对应的第四尺寸，得出更新后的透镜的光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系。根据更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜120在光轴方向上的第五轴向位置，并调节透镜120至第五轴向位置，以使成像光束能够在该光路中聚焦。

基于上述第五实施例，在本发明的第六实施例中，步骤S424包括：

步骤S424a、根据R＝c*Z²+d*Z+e拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系；

其中，c为第五系数，d为第六系数，e为第七系数，且c≠0。也就是说，在本实施例中，当采集范围较小时，可以采用二次函数拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系，以提高拟合的准确度，使透镜的位置更加准确。

基于上述第五实施例，在本发明的第七实施例中，如图8所示，在步骤S425之后，还包括以下步骤：

步骤S431、获取透镜位于第五轴向位置时，第一光斑的第五尺寸；

步骤S42、确定所有第一尺寸、第二尺寸、第三尺寸、第四尺寸和第五尺寸中的第二最小光斑尺寸，将第一光斑的光斑尺寸为第二最小光斑尺寸时透镜在光轴方向上的位置，作为透镜的聚焦位置，并调节透镜至聚焦位置。

在理想情况下，第五轴向位置通常即为透镜120的聚焦位置，第五尺寸为第一光斑的最小尺寸。然而，考虑到调节过程中的扰动等因素，为了进一步验证透镜120的聚焦位置，确定上述各步骤中所得的所有第一尺寸、第二尺寸、第三尺寸、第四尺寸和第五尺寸中的第二最小光斑尺寸，将第一光斑的光斑尺寸为第二最小光斑尺寸时第一透镜在光轴方向上的位置，作为第一透镜的聚焦位置，并调节第一透镜至聚焦位置，以完成本次光路调节。需要注意的是，这里的第一尺寸、第二尺寸、第三尺寸、第四尺寸和第五尺寸包括循环过程中，在每一次循环中所得到的第一尺寸、第二尺寸、第三尺寸、第四尺寸和第五尺寸，以保障光路的调节效果。

基于上述各实施例，在本发明的第八实施例中，如图1所示，光学设备100还包括可变反射镜130，可变反射镜130位于透镜120的出射光路上，可变反射镜130在微机电系统的作用下可调，以改变成像光束的传播方向，从而形成一定的显示图像；如图9所示，在步骤S200之前，光路调节方法还包括以下步骤：

步骤S500、调节透镜120在垂直于光轴的平面上的位置，以使成像光束在可变反射镜130上形成的第二光斑位于可变反射镜130的第一预设范围内。

在调节成像光束的聚焦之前，为了获得较大的可调范围，同时考虑到光学设备长期使用后可能存在的微小的偏移，应尽可能使成像光束照射在各光学元件的中心位置。这样，即使光学元件的位置发生了偏移，对最终成像的影响也较小，且在调节成像光束的聚焦过程中，有较大的可调范围。具体的，通过调节透镜120在垂直于光轴平面上的位置，使成像光束在可变反射镜130上形成的第二光斑位于可变反射镜130的第一预设范围内，第一预设范围通常即为可变反射镜130中心附近的范围。

基于上述第八实施例，在本发明的第九实施例中，如图10所示，在步骤S400之后，光路调节方法还包括以下步骤：

步骤S600、调节透镜120在垂直于光轴的平面上的位置，以使成像光束在可变反射镜130上形成的第二光斑位于可变反射镜130的第二预设范围内；

其中，第二预设范围小于或等于第一预设范围。在调节各光路的过程中，成像光束的位置和成像光束的聚焦往往需要交替调节，以逐步接近最佳状态。也就是对光路进行聚焦调节后，可能会导致成像光束对应的光斑位置的改变，需要再对光斑位置进行微调，使成像光束在可变反射镜上形成的第二光斑位于可变反射镜的第二预设范围内，以不断完善光路的调节。

本发明还提出一种光路调节装置，用于调节光学设备中的光路。

如图1所示，在本发明的一实施例中，光学设备包括光源110和透镜120，透镜120位于光源110的出射光路上，当光源110出射的成像光束经透镜120透射后，在成像平面上形成第一光斑。

具体的，本实施例中的光学设备100可以是微投影仪，为了实现投影，微投影仪中设有光源110，并通过透镜120等光学元件对光源110出射的成像光束进行调制。为了减小微投影仪等光学设备所占的空间，还可以在光路上设置反射镜140等，以改变光的传播方向，提高光学设备中的空间利用率。在调节微投影仪时，通过调节透镜120的位置，使成像光束聚焦于成像平面。需要注意的是，这里的透镜可以是单一的透镜，也可以是能够满足一定成像要求的透镜组，在调节光路时，对透镜组的调节方式可参考单一透镜的调节方式，以聚焦成像光束。

光路调节装置包括第一成像组件220、驱动组件、存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的光路调节程序，其中：第一成像组件220位于透镜120的出射光路上，第一成像组件220用以接收第一光斑；驱动组件与透镜120相连，驱动组件用以调节透镜120的位置。驱动组件具体可以包括步进电机和传动系统，传动系统连接步进电机和透镜120，通过驱动组件，能够实现透镜120位置的自动改变，进而实现光路的自动化调节，从而避免了手动调节效率低下、准确率差等问题。

进一步的，如图1所示，光学设备还包括可变反射镜130，可变反射镜130位于透镜120的出射光路上。在微投影仪中，可变反射镜130在微机电系统的控制下改变成像光束的传播方向，以实现各种图像的投影。

光路调节装置还包括分束镜210和第二成像组件230，分束镜210位于可变反射镜130的出射光路上，第一成像组件220位于分束镜210的第一出射光路上；第二成像组件230位于分束镜210的第二出射光路上。具体的，分束镜210将成像光束分为两束，便于分别调节成像光束的位置和聚焦。第一成像组件220包括全息扩散屏幕221和聚焦校准相机222，用以接收成像光束在成像平面上形成的第一光斑，并通过改变透镜120在光轴方向上的位置调节聚焦；第二成像组件230包括共轭透镜231和位置校准相机232，用以调节成像光束在可变反射镜130上形成的第二光斑的位置。

处理器可以调用存储器中存储的光路调节程序，并执行以下操作：

获取透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系；

根据光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节透镜至第一轴向位置；

获取透镜位于第一轴向位置时，第一光斑的第一尺寸；

根据第一尺寸和光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节透镜在光轴方向上的轴向位置，直至成像光束聚焦于成像平面。

处理器可以调用存储器中存储的光路调节程序，获取透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系的操作包括：

获取透镜对应型号的预聚焦成像距离；

根据预聚焦成像距离，确定成像距离的检测范围；

确定成像距离的检测步长；

对预设检测数目的同一型号透镜，在检测范围内，按照检测步长改变各透镜的成像距离，并获取与成像距离对应的光斑尺寸；

确定光斑尺寸最小时对应的成像距离Z₀；

当Z<Z₀时，根据R＝a₁*Z+b₁拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系；当Z≥Z₀时，根据R＝a₂*Z+b₂拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系；

其中，a₁为第一系数，b₁为第二系数，a₂为第三系数，b₂为第四系数，且a₁<0，a₂>0。

处理器可以调用存储器中存储的光路调节程序，根据光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节透镜至第一轴向位置的操作包括：

根据光斑尺寸与成像距离之间的关系，计算光斑尺寸最小时对应的成像距离；

根据光斑尺寸最小时对应的成像距离，确定透镜在光轴方向上的第一轴向位置；

调节透镜至第一轴向位置。

处理器可以调用存储器中存储的光路调节程序，根据第一尺寸和光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节透镜在光轴方向上的轴向位置，直至成像光束聚焦于成像平面的操作包括：

根据第一尺寸和光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜在光轴方向上的第二轴向位置和第三轴向位置；

调节透镜至第二轴向位置，并获取透镜位于第二轴向位置时，第一光斑的第二尺寸；

调节透镜至第三轴向位置，并获取透镜位于第三轴向位置时，第一光斑的第三尺寸；

确定第一尺寸、第二尺寸和第三尺寸中的第一最小光斑尺寸，将第一光斑的光斑尺寸为第一最小光斑尺寸时透镜在光轴方向上的位置，作为更新后的第一轴向位置，并调节透镜至第一轴向位置；

返回获取透镜位于第一轴向位置时，第一光斑的第一尺寸的步骤，直至当次获取的最小光斑尺寸大于或等于前次获取的最小光斑尺寸，或第一轴向位置和第二轴向位置之间的第一距离小于最小可调距离，或第一轴向位置和第三轴向位置之间的第二距离小于最小可调距离，或获取透镜位于第一轴向位置时，第一光斑的第一尺寸的步骤的累计执行次数大于或等于预设次数。

处理器可以调用存储器中存储的光路调节程序，在最后一次执行调节透镜至第一轴向位置的操作之后，还执行以下操作：

根据预设步长和预设方向，确定透镜在光轴方向上的第四轴向位置，并调节透镜至第四轴向位置；

获取透镜位于第四轴向位置时，第一光斑的第四尺寸；

将调节透镜至第四轴向位置前后，第一光斑的光斑尺寸由大变小时透镜在光轴方向上的移动方向，作为更新后的预设方向；

返回执行根据预设步长和预设方向，确定透镜在光轴方向上的第四轴向位置，并调节透镜至第四轴向位置的步骤，直至累计获取的第四尺寸的数目大于或等于预设数目；

根据透镜的各第四轴向位置和对应的第四尺寸，确定更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系；

根据更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜在光轴方向上的第五轴向位置，并调节透镜至第五轴向位置。

处理器可以调用存储器中存储的光路调节程序，根据透镜的各第四轴向位置和对应的第四尺寸，确定更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系的操作包括：

根据R＝c*Z²+d*Z+e拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系；

其中，c为第五系数，d为第六系数，e为第七系数，且c≠0。

处理器可以调用存储器中存储的光路调节程序，在根据更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜在光轴方向上的第五轴向位置，并调节透镜至第五轴向位置的操作之后，还执行以下操作：

获取透镜位于第五轴向位置时，第一光斑的第五尺寸；

确定所有第一尺寸、第二尺寸、第三尺寸、第四尺寸和第五尺寸中的第二最小光斑尺寸，将第一光斑的光斑尺寸为第二最小光斑尺寸时透镜在光轴方向上的位置，作为透镜的聚焦位置，并调节透镜至聚焦位置。

处理器可以调用存储器中存储的光路调节程序，光学设备还包括可变反射镜，可变反射镜位于透镜的出射光路上；

在根据光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节透镜至第一轴向位置的操作之前，还执行以下操作：

调节透镜在垂直于光轴的平面上的位置，以使成像光束在可变反射镜上形成的第二光斑位于可变反射镜的第一预设范围内。

处理器可以调用存储器中存储的光路调节程序，在根据第一尺寸和光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节透镜在光轴方向上的轴向位置，直至成像光束聚焦于成像平面的操作之后，还执行以下操作：

调节透镜在垂直于光轴的平面上的位置，以使成像光束在可变反射镜上形成的第二光斑位于可变反射镜的第二预设范围内；

其中，第二预设范围小于或等于第一预设范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种光路调节方法，用于调节光学设备中的光路，其特征在于，所述光学设备包括光源和透镜，所述透镜位于所述光源的出射光路上，当所述光源出射的成像光束经所述透镜透射后，在成像平面上形成第一光斑；

所述光路调节方法包括以下步骤：

获取所述透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系；

根据所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节所述透镜至所述第一轴向位置；

获取所述透镜位于所述第一轴向位置时，所述第一光斑的第一尺寸；

根据所述第一尺寸和所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节所述透镜在光轴方向上的轴向位置，直至所述成像光束聚焦于所述成像平面。

2.如权利要求1所述的光路调节方法，其特征在于，获取所述透镜对应型号的光斑尺寸与成像距离之间的关系的步骤包括：

获取所述透镜对应型号的预聚焦成像距离；

根据所述预聚焦成像距离，确定成像距离的检测范围；

确定成像距离的检测步长；

对预设检测数目的同一型号透镜，在所述检测范围内，按照所述检测步长改变各透镜的成像距离，并获取与所述成像距离对应的光斑尺寸；

确定所述光斑尺寸最小时对应的成像距离Z₀；

当Z<Z₀时，根据R＝a₁*Z+b₁拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系；当Z≥Z₀时，根据R＝a₂*Z+b₂拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系；

其中，a₁为第一系数，b₁为第二系数，a₂为第三系数，b₂为第四系数，且a₁<0，a₂>0。

3.如权利要求1所述的光路调节方法，其特征在于，根据所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节所述透镜至所述第一轴向位置的步骤包括：

根据所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，计算所述光斑尺寸最小时对应的成像距离；

根据所述光斑尺寸最小时对应的成像距离，确定所述透镜在光轴方向上的第一轴向位置；

调节所述透镜至所述第一轴向位置。

4.如权利要求1所述的光路调节方法，其特征在于，根据所述第一尺寸和所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节所述透镜在光轴方向上的轴向位置，直至所述成像光束聚焦于所述成像平面的步骤包括：

根据所述第一尺寸和所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第二轴向位置和第三轴向位置；

调节所述透镜至所述第二轴向位置，并获取所述透镜位于所述第二轴向位置时，所述第一光斑的第二尺寸；

调节所述透镜至所述第三轴向位置，并获取所述透镜位于所述第三轴向位置时，所述第一光斑的第三尺寸；

确定所述第一尺寸、所述第二尺寸和所述第三尺寸中的第一最小光斑尺寸，将所述第一光斑的光斑尺寸为第一最小光斑尺寸时所述透镜在光轴方向上的位置，作为更新后的第一轴向位置，并调节所述透镜至所述第一轴向位置；

返回所述获取所述透镜位于所述第一轴向位置时，所述第一光斑的第一尺寸的步骤，直至当次获取的最小光斑尺寸大于或等于前次获取的最小光斑尺寸，或所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间的第一距离小于最小可调距离，或所述第一轴向位置和所述第三轴向位置之间的第二距离小于最小可调距离，或所述获取所述透镜位于所述第一轴向位置时，所述第一光斑的第一尺寸的步骤的累计执行次数大于或等于预设次数。

5.如权利要求4所述的光路调节方法，其特征在于，在最后一次执行所述调节所述透镜至所述第一轴向位置的步骤之后，还包括以下步骤：

根据预设步长和预设方向，确定所述透镜在光轴方向上的第四轴向位置，并调节所述透镜至所述第四轴向位置；

获取所述透镜位于所述第四轴向位置时，所述第一光斑的第四尺寸；

将调节所述透镜至所述第四轴向位置前后，所述第一光斑的光斑尺寸由大变小时所述透镜在光轴方向上的移动方向，作为更新后的预设方向；

返回执行所述根据预设步长和预设方向，确定所述透镜在光轴方向上的第四轴向位置，并调节所述透镜至所述第四轴向位置的步骤，直至累计获取的所述第四尺寸的数目大于或等于预设数目；

根据所述透镜的各第四轴向位置和对应的所述第四尺寸，确定更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系；

根据更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第五轴向位置，并调节所述透镜至所述第五轴向位置。

6.如权利要求5所述的光路调节方法，其特征在于，根据所述透镜的各第四轴向位置和对应的所述第四尺寸，确定更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系的步骤包括：

根据R＝c*Z²+d*Z+e拟合光斑尺寸R与成像距离Z之间的关系；

其中，c为第五系数，d为第六系数，e为第七系数，且c≠0。

7.如权利要求5所述的光路调节方法，其特征在于，在根据更新后的光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第五轴向位置，并调节所述透镜至所述第五轴向位置的步骤之后，还包括以下步骤：

获取所述透镜位于所述第五轴向位置时，第一光斑的第五尺寸；

确定所有所述第一尺寸、所述第二尺寸、所述第三尺寸、所述第四尺寸和所述第五尺寸中的第二最小光斑尺寸，将所述第一光斑的光斑尺寸为第二最小光斑尺寸时所述透镜在光轴方向上的位置，作为所述透镜的聚焦位置，并调节所述透镜至所述聚焦位置。

8.如权利要求1至7中任一项所述的光路调节方法，其特征在于，所述光学设备还包括可变反射镜，所述可变反射镜位于所述透镜的出射光路上；

在根据所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，确定所述透镜在光轴方向上的第一轴向位置，并调节所述透镜至所述第一轴向位置的步骤之前，所述光路调节方法还包括以下步骤：

调节所述透镜在垂直于光轴的平面上的位置，以使所述成像光束在所述可变反射镜上形成的第二光斑位于所述可变反射镜的第一预设范围内。

9.如权利要求8所述的光路调节方法，其特征在于，在根据所述第一尺寸和所述光斑尺寸与成像距离之间的关系，调节所述透镜在光轴方向上的轴向位置，直至所述成像光束聚焦于所述成像平面的步骤之后，所述光路调节方法还包括以下步骤：

调节所述透镜在垂直于光轴的平面上的位置，以使所述成像光束在所述可变反射镜上形成的第二光斑位于所述可变反射镜的第二预设范围内；

其中，所述第二预设范围小于或等于所述第一预设范围。

10.一种光路调节装置，用于调节光学设备中的光路，其特征在于，所述光学设备包括光源和透镜，所述透镜位于所述光源的出射光路上，当所述光源出射的成像光束经所述透镜透射后，在成像平面上形成第一光斑；

所述光路调节装置包括第一成像组件、驱动组件、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的光路调节程序，其中：

所述第一成像组件位于所述透镜的出射光路上，所述第一成像组件用以接收所述第一光斑；

所述驱动组件与所述透镜相连，所述驱动组件用以调节所述透镜的位置；

所述光路调节程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至9中任一项所述的光路调节方法的步骤。

11.如权利要求10所述的光路调节装置，其特征在于，所述光学设备还包括可变反射镜，所述可变反射镜位于所述透镜的出射光路上；

所述光路调节装置还包括：

分束镜，所述分束镜位于所述可变反射镜的出射光路上，所述第一成像组件位于所述分束镜的第一出射光路上；

第二成像组件，所述第二成像组件位于所述分束镜的第二出射光路上。

12.如权利要求11所述的光路调节装置，其特征在于，所述第一成像组件包括全息扩散屏幕和聚焦校准相机；

所述第二成像组件包括共轭透镜和位置校准相机。