CN109782519A - 一种基于LCoS的自适应变焦投影物镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于LCoS的自适应变焦投影物镜，该投影物镜包括：固体透镜Ⅰ、自适应透镜Ⅰ、自适应透镜Ⅱ、自适应透镜Ⅲ、固体透镜Ⅱ、固体透镜Ⅲ。其中，固体透镜承担光学系统光焦度的主要部分，自适应透镜作为变焦部分并校正像差。3个自适应透镜组成透镜组位于固体透镜之间,通过改变自适应透镜的焦距来改变整个投影物镜的焦距，从而调节投影画面的大小。

Description

一种基于LCoS的自适应变焦投影物镜

技术领域

本发明涉及一种自适应变焦物镜，更具体地说，本发明涉及一种基于LCoS的自适应变焦投影物镜。

背景技术

LCoS(Liquid Crystal on Silicon,硅基液晶)投影技术是一种在LCD(LiquidCrystal Display,液晶显示) 的基础上发展而来的反射式投影技术，它与LCD和DLP(Digital Light Processing,数字光处理)技术相比较而言，具有高开口率、高分辨率和体积小等特点。基于以上特点，LCoS投影技术被广泛应用于微型投影机的设计中，微型投影机相较于传统的投影机而言，最大的优势便是能随时随地地应用于生活中的各个场景。对于不同的场景来说，考虑到对图像放大不同倍率的需求，微型投影机不仅应该具有便携性，还应该具有强大的变焦能力。传统的LCoS微型投影机投影物镜是由多个固体透镜组成，通过改变多个透镜之间的相对位置来实现变焦，这就意味着不仅需要有大量可移动的部件，还必须要有精确复杂的电机进行机械驱动。可移动的部件因为摩擦损耗不仅降低了系统的使用寿命，而且影响着系统的成像质量，同时复杂的结构使得整个系统不紧凑，显得笨重且成本高，所以设计一种结构紧凑轻便，且具有大调焦范围的LCoS投影物镜有着重要的现实意义。

发明内容

本发明提出一种基于LCoS的自适应变焦投影物镜。如附图1所示，该投影物镜包括：固体透镜Ⅰ、自适应透镜Ⅰ、自适应透镜Ⅱ、自适应透镜Ⅲ、固体透镜Ⅱ、固体透镜Ⅲ。其中，固体透镜承担光学系统光焦度的主要部分，自适应透镜作为变焦部分并校正像差。自适应透镜Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ均通过外驱动改变其曲面面型，从而实现各自的自动变焦，通常采用的自适应透镜类型有弹性膜液体透镜、电湿润液体透镜、柔性材料聚合物透镜和介电力液体透镜。根据投影机的原理，从LCoS上反射的光线，从左至右依次通过固体透镜Ⅰ，自适应透镜Ⅰ，自适应透镜Ⅱ、自适应透镜Ⅲ、固体透镜Ⅱ、固体透镜Ⅲ到达屏幕如附图2所示，3个自适应透镜组成透镜组位于固体透镜之间作为变焦组。当3个自适应透镜的曲率不同时，组合后的焦距也不同。因此，可以实现无机械移动的连续光学变焦，即自动调整投影的画面大小。3个自适应透镜的曲率相互配合，不仅可以实现光学焦距的改变，还可以校正像差获得高质量的投影图像。如附图2和3所示，通过改变自适应透镜两相界面的曲率，调节整个投影透镜组的焦距，从而在投影屏幕上得到不同放大倍率的图像。

优选地，自适应透镜Ⅰ的口径d1≥2mm且d1≤15mm, 自适应透镜Ⅱ的口径d2≥2mm且d2≤15mm，自适应透镜Ⅲ的口径d3≥4mm且d3≤15mm。

优选地，固体透镜Ⅰ、固体透镜Ⅱ和固体透镜Ⅲ的材质包括光学玻璃、光学塑料、光学晶体。

优选地，自适应透镜Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ均通过外驱动改变其曲面面型，从而实现自动变焦，通常采用的自适应透镜类型有弹性膜液体透镜、电湿润液体透镜、柔性材料聚合物透镜和介电力液体透镜。

附图说明

附图1为基于LCoS的自适应变焦投影物镜结构剖面示意图。

附图2为基于LCoS的自适应变焦投影物镜投影原理示意图。

附图3为基于LCoS的自适应变焦投影物镜投影变焦时原理示意图。

附图4为基于LCoS的自适应变焦投影物镜变焦时施加在三个自适应透镜上电压的变化。

上述附图中的图示标号为：

1-光源、2-PBS(Polarization Beam Splitter, 偏振分光棱镜)、3-LCoS芯片、4-固体透镜Ⅰ、5-自适应透镜Ⅰ、6-自适应透镜Ⅱ、7-自适应透镜Ⅲ、8-固体透镜Ⅱ、9-固体透镜Ⅲ、10-投影屏幕，应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

下面详细说明本发明提出的一种基于LCoS的自适应变焦投影物镜的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明的一个实施例为：自适应透镜Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ均为电湿润液体透镜，其构成两相结构所用的两种液体材料的折射率差值为0.112，透镜口径为3.8mm。由于自适应透镜的口径小于LCoS芯片的有效显示尺寸，所以在自适应透镜之间加一个双凸透镜以汇集LCoS芯片所反射的光线使之能通过自适应透镜，光线在穿过自适应透镜后通过两个弯月形固体透镜，两个弯月形固体透镜使图像得到放大，两个弯月形固体透镜承担着主要的光焦度，如附图2所示。在电压的调节下，通过三个自适应透镜内液-液界面的变化，改变自适应透镜的焦距，从而改变整个自适应透镜的光焦度。如附图4所示，为制作的变焦投影物镜模型的有效焦距变化时施加在三个自适应透镜上电压的变化示意图。此时，固体透镜Ⅰ的曲面1的曲率半径为 43mm，曲面2的曲率半径为26mm，厚度为3mm; 固体透镜Ⅱ的曲面1的曲率半径为12mm，曲面2的曲率半径为9mm，厚度为5mm；固体透镜Ⅲ的曲面1的曲率半径为 44.5mm，曲面2的曲率半径为70mm，厚度为10mm。固体透镜Ⅰ、自适应透镜Ⅰ、自适应透镜Ⅱ与自适应透镜Ⅲ两两之间的距离为2mm, 自适应透镜Ⅲ与固体透镜Ⅱ间的距离为3mm,固体透镜Ⅱ与固体Ⅲ间的距离为20mm。经过Zemax仿真模拟该投影系统的有效变焦范围是25-36mm，放大倍率是57-85倍，后工作距相对移动距离是17mm，系统总长在100mm左右，入瞳直径3mm。在透镜组焦距在30mm时，后工作距为~36.5mm自适应透镜Ⅰ的曲率为~11mm, 自适应透镜Ⅱ的曲率为~48.5mm, 自适应透镜Ⅲ的曲率为~82mm。 其对应的电压分别为53.4V、49.2V和44.2V。本实施例采用的工作波段为380nm-760nm。对本发明施加电压可实现焦距的变化。电压变化的范围为26V到70V，需要指出的本发明实施例中自适应透镜的驱动电压为~26V，因此0~26V时，投影物镜系统无法被驱动。

Claims (5)

1.一种基于LCoS的自适应变焦投影物镜，包括：固体透镜Ⅰ、自适应透镜Ⅰ、自适应透镜Ⅱ、自适应透镜Ⅲ、固体透镜Ⅱ、固体透镜Ⅲ，其中，固体透镜承担光学系统光焦度的主要部分，自适应透镜作为变焦部分并校正像差。

2.根据权利要求1所述的一种基于LCoS的自适应变焦投影物镜，其特征在于，自适应透镜Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ均通过外驱动改变其曲面面型，从而实现自动变焦，通常采用的自适应透镜类型有弹性膜液体透镜、电湿润液体透镜和介电力液体透镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于LCoS的自适应变焦投影物镜，其特征在于，当3个自适应透镜的曲率不同时，组合后的焦距也不同，因此，可以实现无机械移动的连续光学变焦，即自动调整投影出来的画面的大小；3个自适应透镜的曲率相互配合，不仅可以实现光学焦距的改变，还可以校正像差获得高质量的投影图像。

4.根据权利要求1所述的一种基于LCoS的自适应变焦投影物镜，其特征在于，自适应透镜Ⅰ的口径d ₁ ≥2mm且d ₁ ≤15mm, 自适应透镜Ⅱ的口径d ₂ ≥2mm且d ₂ ≤15mm，自适应透镜Ⅲ的口径d ₃ ≥4mm且d ₃ ≤15mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于LCoS的自适应变焦投影物镜，其特征在于，固体透镜Ⅰ、固体透镜Ⅱ和固体透镜Ⅲ的材质包括光学玻璃、光学塑料、光学晶体。