CN111290101A - 投影成像系统及激光投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种投影成像系统和激光投影设备。投影成像系统包括：光阀，投影镜头，光阀用于对光束调制产生影像光束，并将影像光束输出至投影镜头，投影镜头包括：第一透镜组，中继镜片，第二透镜组，沿着影像光束入射传输的方向，第一透镜组包括第一非球面透镜，由一个三胶合透镜和一个双胶合透镜组成的胶合透镜组，以及位于三胶合透镜和双胶合透镜之间的第二非球面镜片；中继镜片包括n片镜片，1≤n≤2；第二透镜组包括N片镜片，2<N<5，能够实现投影成像系统和设备的小型化。

Description

投影成像系统及激光投影设备

技术领域

本发明涉及激光投影领域，特别涉及一种投影成像系统及激光投影设备。

背景技术

激光显示投影技术是目前市场上一种新型的投影显示技术，对于应用该技术的激光投影机，尤其对于超短焦投影设备来说，一方面追求短焦近距离的投影成为一种趋势，同时随着在家用，商教利于应用的广泛，投影设备体积的小型化也成为新的需求。

在成像系统中，投影镜头为该激光投影机的核心组件之一，该投影镜头从设计到加工都非常重要。

目前的投影镜头，为了达到较高的像质（如4K像质）要求，需要具有较高的解像力，尤其对于超短焦镜头来说，投射比小，镜头的设计复杂度更高，从而所需的镜片数量也非常多，比如目前市面上的超短焦镜头其镜片数量范围一般为20片左右。但是较多数量的镜片不仅加工组装复杂度较高，同时还会使得投影镜头的体积较大，这不利于投影设备的小型化。

发明内容

本发明实施例提供了一种投影镜头及投影成像系统，可以解决投影镜头体积较大的问题，所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种投影成像系统，包括：光阀，投影镜头，其中，光阀用于对光束调制产生影像光束，并将影像光束输出至投影镜头，投影镜头包括：

沿着影像光束入射传输的方向依次排布折射系统和反射系统，

折射系统用于将进入折射系统的影像光束折射至反射系统中；

反射系统用于将折射系统输出的影像光束反射成像到投影介质上；

折射系统包括第一透镜组，中继镜片，第二透镜组，

沿着影像光束入射传输的方向，第一透镜组包括第一非球面透镜，由一个三胶合透镜和一个双胶合透镜组成的胶合透镜组，以及位于三胶合透镜和双胶合透镜之间的第二非球面镜片；

中继镜片包括n片镜片，1≤n≤2；

第二透镜组包括N片镜片，2<N<5。

第二方面，提供一种激光投影设备，包括：激光光源和上述投影成像系统。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明实施例提供的投影镜头及投影成像系统中投影镜头的折射系统的第一透镜组中包括一个三胶合透镜和一个双胶合透镜，以及两片非球面透镜的组合，三胶合透镜和双胶合透镜均具有较高的色差的校正能力，且该三胶合透镜和双胶合透镜与非球面透镜相互配合，能够对五种单色像差进行较好的校正，从而可以使投影镜头同时具有较高的色差和像差的校正能力，可以大大减少常规透镜及透镜组合的使用数量，从使得投影镜头在具有较高的解像力的同时，投影镜头整体镜片的数量相应减少，同时，投影镜头分为第一透镜组，中继镜片，第二透镜组，通过上述第一透镜组有效的对色差和像差进行校正，可以大大减轻中继镜片和第二透镜组对成像的校正负担，从而中继镜片和第二透镜组可以采用较少数量的镜片，整体镜片数量可以控制在20片以内，上述投影镜头的镜片组成能够有效缩短投影镜头的长度，利于实现体积小型化的投影镜头，利于实现小型化的投影成像系统。

本发明提供的激光投影设备，包括激光光源和投影成像系统，利于实现实现激光投影设备的小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对实施例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获得其他的附图。

图1是本发明实施例涉及的一种实施环境示意图。

图2是本发明实施例涉及的另一种实施环境示意图。

图3是本发明一示意性实施例提供的投影镜头的结构示意图。

图4是本发明一示意性实施例提供的投影镜头的结构示意图。

图5是本发明一示意性实施例提供的投影镜头的结构示意图。

图6是本发明一示意性实施例提供的投影镜头的结构示意图。

图7是根据本发明一示例性实施例提供的投影镜头的成像对比模拟界面示意图。

图8是本发明一示例性实施例提供的投影镜头的点光斑成像示意图。

图9是本发明一示例性实施例提供的投影镜头的光学特性曲线图。

图10是本发明一示例性实施例提供的投影镜头的光学特性曲线图。

图11是本发明一示例性实施例提供的投影镜头的光学特性曲线图。

图12是本发明一示例性实施例提供的投影镜头的光学特性曲线图。

图13是本发明一示例性实施例提供的投影镜头的光学特性曲线图。

图14是本发明一示例性实施例提供的投影镜头的光学特性曲线图。

图15是本发明一示例性实施例提供的投影镜头的光学特性曲线图。

图16是本发明一示例性实施例提供的投影镜头的光学特性曲线图。

图17是本发明一示例性实施例提供的投影镜头的光学特性曲线图。

图18是本发明一示例性实施例提供的投影镜头的光学特性曲线图。

图19是根据本发明一示例性实施例提供的投影成像系统的系统成像光路的原理示意图。

图20是根据本发明一示例性实施例提供的投影成像系统中的影像光束走向示意图。

图21是根据本发明示例性实施例提供的激光投影设备的框架示意图。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，其示出了本发明部分实施例中提供的投影成像系统架构示意图。该投影成像系统可以包括：光阀10、全内反射（英文：Total INterNal ReflectioN，简称：TIR）棱镜20以及投影镜头40，该光阑10、TIR棱镜20沿靠近该投影镜头40的方向依次排列。其中，该光阀用于在受到光照时产生影像光束，示例的，该光阀可以是数字微镜器件(英文：DigitalMicro mirror Device，简称：DMD)，该器件的分辨率可以是2K、3K或4K分辨率，该2K分辨率指的是器件的每行像素值达到或接近2000个，通常指的是2560×1440分辨率；该3K分辨率指的是器件的每行像素值达到或接近3000个，通常指的是3200×1800分辨率；该4K分辨率指的是器件每行像素值达到或者接近4096个，通常指的是4096×2160分辨率；该TIR棱镜用于将该影像光束反射至投影镜头，以提高进入镜头的影像光束的亮度和对比度。

可选的，请参考图2，其示出了本发明部分实施例中提供的投影镜头所涉及的另一种实施环境的示意图。投影镜头所涉及的实施环境还可以包括：映像偏移镜组30，该映像偏移镜组30位于TIR棱镜20靠近投影镜头40的一侧，该映像偏移镜组用于对TIR棱镜反射的影像光束进行偏移处理后，将偏移处理后的影像光束传递至投影镜头。具体地，映像偏移镜组振动使得依次经过该映像偏移镜组的相邻两帧投影图像对应的影像光束不完全重叠，并将相邻两帧投影图像对应的影像光束依次射向投影镜头。示例的，该映像偏移镜组可以为板状透明器件，如平板透明玻璃。图2中的其他器件的功能和位置可以参考图1中的器件的功能和位置。本发明实施例对此不再赘述。

在本发明实施例中，还提供了一种投影镜头40，该投影镜头可以应用于图1或图2所示的实施环境。如图3所示，该投影镜头40包括：

折射系统41和反射系统42。该折射系统41和该反射系统42沿着影像光束入射传输的方向（即图3所示X方向）依次排布且共光轴L。该折射系统41用于将进入折射系统的影像光束折射至反射系统中，折射系统具体用于将进入折射系统的影像光束进行像差校正和色差校正，并将该影像光束折射到反射系统中。该反射系统42用于将折射系统输出的影像光束反射到投影屏幕上，反射系统具体用于将折射系统输出的影像光束进行畸变像差校正，并将影像光束反射到投影屏幕上。

其中，该折射系统41包括一个三胶合透镜4111和一个双胶合透镜4112。

综上所述，本发明实施例提供的投影镜头及投影成像系统中投影镜头的折射系统的第一透镜组中包括一个三胶合透镜和一个双胶合透镜，以及两片非球面透镜的组合，三胶合透镜和双胶合透镜均具有较高的色差的校正能力，且该三胶合透镜和双胶合透镜与非球面透镜相互配合，能够对五种单色像差进行较好的校正，从而可以使投影镜头同时具有较高的色差和像差的校正能力，可以大大减少常规透镜及透镜组合的使用数量，从使得投影镜头在具有较高的解像力的同时，投影镜头整体镜片的数量相应减少，同时，投影镜头分为第一透镜组，中继镜片，第二透镜组，通过上述第一透镜组有效的对色差和像差进行校正，可以大大减轻中继镜片和第二透镜组对成像的校正负担，从而中继镜片和第二透镜组可以采用较少数量的镜片，上述投影镜头的镜片组成能够有效缩短投影镜头的长度，利于实现体积小型化的投影镜头，利于实现小型化的投影成像系统。

可选的，如图4所示，上述折射系统41包括沿着影像光束入射传输的方向（即图4所示X方向）依次排布的第一透镜组411、中继镜片412和第二透镜组413，第一透镜组411包括一个三胶合透镜4111和一个双胶合透镜4112。

需要说明的是：在镜头光学设计时，通常将多个镜片组成的一个单位视为一个群组，直观上可以将其作为一个单位整体进行移动，比如，镜头中共有10个镜片，5个一组，分为两个群组，这两个群组各自作为一个小的整体，可以彼此相对位移，此处的位移可以是装配时的公差调整，也可以是配合镜头变焦实现组群之间的距离变化，而改变镜头的焦距。而每个群组内部之间的镜片相对位置不改变，每个群组有自身的焦距参数。

在本发明实施例中，上述第一透镜组411，中继镜片412和第二透镜组413可以称为后群，中群和前群群组，此时，在具有较高的像差和色差校正能力的前提下，镜头可以具有大的景深，有较大的容限范围，即可以容许焦平面的移动，也能实现在视觉接收范围内的投影质量，比如，在100寸时，投影质量效果最佳，但在90寸或120寸时，通过移动后群，中群，改变焦平面的位置（通过两个群组的移动还同时要进行畸变的校正），虽然没有达到100寸最佳的解析能力，但是仍然可以满足视觉观看要求，也就是具有一定的投影尺寸调节范围，而此时就需要具有三个群组的划分，后群，中群各自独立移动，即第一透镜组411，中继镜片412各自作为调节的单元，从而各自视为一个群组。但是如果当投影镜头确定实现100寸的投影尺寸，此时，为了满足小的设计公差调节，以及装配等原因，可以将上述镜片划分为两个群组，即第一透镜组411为后群，中继镜片412和第二透镜组413为前群，这样，仅第一透镜组411相对于其余的透镜组成的群组发生微小位移，以及装配时作为一个整体进行安装。此时，中继镜片412相对于第二透镜组413保持相对位置不变。

在以下说明书实施例中，为了方便介绍投影镜头对光束依次的处理过程，示例性的将投影镜头划分为三个群组，这个可以在较细的群组划分情况下，对不同群组对光束的传递过程，以及各个群组对光束成像的贡献进行阐释，但这并不限定本实施例投影镜头的划分。如前所述，也可以将中继镜片划分入第二透镜组，从而本实施例的投影镜头具有两个群组。

可选的，该投影镜头40可以为物方远心设计结构，也即是该投影镜头的光路为物方远心光路，该物方远心设计结构的投影镜头中，光阀上同一点发出的成像光束不随光阀位置的变化而变化，这样避免了由于投影镜头调焦不准或者景深存在所产生的投影视差，相较于非物方远心设计结构的投影镜头像质更好。

可选的，投影镜头中，第二焦距与第一焦距的比值的范围为2-12，该第一焦距为投影镜头的等效焦距，该第二焦距为第一透镜组的等效焦距；第三焦距与第一焦距的比值的范围为20-30，该第三焦距为中继镜片的等效焦距；第四焦距与第一焦距的比值的范围为25-35，该第四焦距为第二透镜组的等效焦距；第五焦距与第一焦距的比值的范围为5-10，该第五焦距为反射系统的等效焦距。该等效焦距为将不同尺寸的感光元件上成像的视角转换为135相机上相同成像视角所对应的镜头焦距。

可选的，反射系统42可以是一个凹面的非球面反射镜。

可选的，请参考图4，该第一透镜组411（可称后群群组）可以包括沿着所述影像光束入射传输的方向依次排布的三胶合球面透镜4111、正光焦度的第二非球面透镜4118和双胶合球面透4112。

或者，请参考图5，该第一透镜组411可以包括沿着影像光束入射传输的方向依次排布的正光焦度的第一非球面透镜4114、三胶合球面透镜4111、正光焦度的第二非球面透镜4118和双胶合球面透镜4112。

可选的，如图6所示，该第一透镜组411还可以包括其他镜片，示例的，该第一透镜组411可以包括m片镜片，其中m为正整数，6<m<16。例如，该第一透镜组411包括11片镜片，该11片镜片包括2个非球面镜和9个球面镜。该第一透镜组包括沿着影像光束入射传输的方向依次排布的正光焦度的第一球面透镜4113、正光焦度的第一非球面透镜4114、三胶合球面透镜4111、负光焦度的第二球面透镜4115、正光焦度的第三球面透镜4116、负光焦度的第四球面透镜4117、正光焦度的第二非球面透镜4118、双胶合球面透镜4112。

需要说明的是，在投影镜头中，F/#是一种反映系统收光或集光能力的参数，F/#=f/d，其中，f为焦距，d为光阑口径，/表示除号。F/#的数值越小，说明系统收光或集光能力越强。

如前所述，为了保证较好的像质，投影镜头采用物方远心设计结构，但是，物方远心设计结构下的投影镜头相较于非物方远心设计结构的投影镜头的像差更大，因此需要消除较大的像差。为了消除该较大的像差以及满足透镜镜头F/#较小数值的设计要求，可以采用靠近光阀的透镜承担投影镜头的主要的像差校正功能。

请继续参考图6，第一球面透镜4113为第一透镜组（也称后群群组）的第一透镜，由于第一球面透镜4113靠近光阀，则该第一球面透镜4113可以起到较大的该投影镜头的像差校正作用，因此，需要选取折射率较大材料，折射率越大对像差的校正能力更强，示例的，该材料的折射率的取值范围可以是大于1.62。

由于该第一球面透镜起到了较大的像差校正作用，也即是其像差校正能力较强，因此，在投影镜头的系统总体像差承受能力范围内，可以根据情况选取校正像差能力稍低的非球面透镜作为第一非球面透镜4117，来进行像差校正。由于材料的折射率越高，其产生的色差越大，在第一球面透镜的材料的折射率较高的情况下，为了控制该投影镜头的色差范围，第一非球面透镜选取折射率较低的材料。示例的，该第一非球面透镜可以选取型号为：L-BSL7、D-K59或者L-BAL42的玻璃材料加工制成。其材料的折射率的取值可以是1.5左右。该第一非球面镜主要对投影镜头的像散、慧差和场曲进行校正。

需要说明的是，该第一球面透镜和第一非球面透镜可以由第一透镜替代，也即是第一透镜组包括沿着所述影像光束入射传输的方向依次排布的正光焦度的第一透镜、三胶合球面透镜、负光焦度的第二球面透镜、正光焦度的第三球面透镜、负光焦度的第四球面透镜、正光焦度的第二非球面透镜、双胶合球面透镜，从而进一步减少投影镜头的体积，降低成本。示例的，该第一透镜可以为一个球面透镜。

可选的，上述三胶合球面透镜4111包括：沿着影像光束入射传输的方向依次排布的正光焦度的第五球面透镜c、负光焦度的第六球面透镜b和正光焦度的第七球面透镜a。该三胶合球面透镜4111主要为了校正投影镜头的色差，同时对该投影镜头的像差也具有一定的校正能力。为了使该三胶合球面透镜可以对投影镜头的色差进行校正，该三胶合透镜中的三个透镜应选取阿贝数（也称色散系数）相差大于第一指定阈值的材料进行搭配，该第一指定阈值可以结合投影镜头的其它配置情况进行确定，例如，该第一指定阈值的范围可以是30-80。因此，第六球面透镜b在选择阿贝数尽可能小后，其第五球面透镜c和第七球面透镜a的阿贝数在第一指定阈值范围内较大，示例的，第六球面透镜b的阿贝数的取值范围可以是小于35，例如，31.3，第五球面透镜c和第七球面透镜a的阿贝数的取值范围可以是65-95，例如，第五球面透镜c的阿贝数的取值可以是70或90。

上述阿贝数用于表示透明介质色散能力。一般来说，介质的折射率越大，色散越厉害，阿贝数越小；反之，介质的折射率越小，色散越不明显，阿贝数越大。

但是，由于材料的阿贝数取值越小，其折射率越大，而越大的折射率对蓝光波段的吸收率越高，为了降低该第六球面透镜对蓝光波段的吸收率，对第六球面透镜选取负光焦度透镜，以使影像光束穿过该第六球面透镜较薄的区域，进而提高该第六球面透镜的几何光学传输效率，即第六球面透镜对该影像光束的传输效率。示例的，该第六球面透镜的折射率的取值范围可以是大于1.8，第五球面透镜的折射率的取值范围可以是1.45-1.55。

第二球面透镜4115为弯月型球面透镜，第三球面透镜4116为双凸球面透镜，第四球面透镜4117为双凹球面透镜，第二非球面透镜4118为正光焦非球面透镜。其中，第二非球面镜4118主要用于校正该投影镜头的球差和场曲。

可选的，双胶合球面透镜4112包括：沿着影像光束入射传输的方向依次排布的负光焦度的第八球面透镜e和正光焦度的第九球面透镜d。该双胶合球面透镜4112主要用于校正投影镜头的色差，同时对该投影镜头的像差也具有一定的校正能力。其中，由于影像光束在经过三胶合球面透镜4111后，其投影镜头对该影像光束的剩余色差较小，且双胶合球面透镜4112对色差的校正能力小于三胶合球面透镜4111对色差的校正能力，因此可以采用双胶合球面透镜4112对剩余的较小色差进行精确校正，该双胶合球面透镜4112中的第八球面透镜e和第九球面透镜d选取阿贝数相差小于第二指定阈值的材料进行搭配，该第二指定阈值可以结合投影镜头的其它配置情况进行确定。示例的，第八球面透镜e的和第九球面透镜d的阿贝数的比值的取值范围可以是0.5-2，例如1.65；第八球面透镜e的和第九球面透镜d的阿贝数的取值可以分别是40.76和25.68，在这种情况下，该第八球面透镜e的和第九球面透镜d的阿贝数的比值约为1.59。同时，该第八球面透镜e的光焦度可以为负，第九球面透镜d的光焦度可以为正，进而使该影像光束通过该第八球面透镜e产生的正色差和通过该第九球面透镜d产生的负色差相互配合，从而使该第八球面透镜e的和第九球面透镜d可以将该影像光束的色差校正为0。

需要说明的是，上述三胶合透镜和双胶合透镜在镜组中的位置顺序可以调换。

可选的，该中继镜片412可以为1片或者两片透镜组成的组合，优选地，本实施例中采用为一片透镜，且为球面透镜，示例的，该透镜可以是正光焦度球面透镜。该中继镜片412具有正透镜特性，即具有会聚光的能力，用于降低第一透镜组411输出的影像光束在第二透镜组412中各个镜片上的归一化高度。该归一化高度是指影像光束通过某一镜片时，镜片的有效口径（即影像光束的光束范围所对应的最大高度）与镜片口径（即镜片的最大直径，也即是镜片高度）的比值（该最大高度和该镜片高度所在方向平行），也即是降低该影像光束的传播纵向高度。通过降低该影像光束的传播纵向高度，可以减小第二透镜组413和第一透镜组411中各个镜片口径的大小，进而利于减小投影镜头的体积，并降低成本。示例的，该一片中继镜片的面型可以是平凸面型或者双凸面型。

可选的，该第二透镜组（可称为前群群组）413包括N片镜片，其中，N为正整数，2<N<5。示例的，该第二透镜组413包括3片镜片，该3片镜片包括1个非球面镜和2个球面镜。第二透镜组413包括：沿着影像光束入射传输的方向依次排布的正光焦度的第十球面透镜4131、负光焦度的第十一球面透镜4132和负光焦度的第三非球面透镜4133。该第二透镜组413用于校正该投影镜头的畸变。其中，第三非球面透镜4133主要用于校正像散、场曲和畸变。示例的，第十球面透镜4131的面型可以为双凸面型，其折射率在1.7左右，例如，1.72，其色散系数可以是54.6。第十一球面透镜4132的面型可以为双凹面型，其中间厚度为3-3.5mm，这样在影像光束穿过该第十一球面透镜时，由于其中间厚度较低可以有效地减少该影像光束的光损，该第十一球面透镜的色散系数的取值范围可以是大于50。第三非球面4133的折射率在1.5左右。

可选的，由于对称非球面透镜的形状规则，便于加工制造，特别是旋转对称非球面透镜，更容易加工制造，因此，当该投影镜头中的非球面透镜，如第一非球面透镜、第二非球面透镜和第三非球面透镜，均采用旋转对称结构时，可以使该非球面透镜的加工方式简单，进而利于简化该投影镜头的加工，并降低生产成本。

需要说明的是，投影镜头的镜片通常采用玻璃材料制成，但是玻璃材料的价格较高，且对于非球面透镜，玻璃材料的非球面透镜加工较为困难，而第三非球面透镜与该光阀的距离较远，其口径较大，较为耗材，因此，该第三非球面透镜的材料可以为塑胶，例如480R，塑胶材料的价格较低，且对于非球面透镜，塑胶材料的非球面透镜加工较为容易。

可选的，该投影镜头还包括：孔径光阑，该孔径光阑位于第一透镜组中，示例的，该孔径光阑两侧均为球面透镜，具体地，位于第一透镜组中第二球面透镜和第三球面透镜之间，孔径光阑用于限制入射传输光瞳口径。由于孔径光阑的两侧分布为球面透镜，相比于两侧分布非球面透镜的情形，可以降低镜片的设计难度，利于降低成本。

需要说明的是，由于孔径光阑用于限制入射传输光瞳口径，其周围能量密度分布较高，则孔径光阑附近的温度较高。因此，为了减小孔径光阑附近温度对镜片的影响，该孔径光阑附近的镜片，需要选取膨胀系数较小的材料。示例的，该镜片可以选取型号为L-TIM28、L-AM69HE和L-LALB的玻璃材料加工制成，该膨胀系数较小的材料可以减小该镜片的材料因温度变化造成的镜片面型（即R值，也即是该镜片的曲率半径）的变化，从而降低温漂对投影镜头的影响。

进一步的，本发明实施例提供的投影镜头的有效焦距的范围可以为1.964-3.273mm（毫米），例如，该实施例提供的投影镜头的有效焦距为2.348mm，为超短焦投影镜头，该有效焦距为投影镜头后主像面到近轴像面的距离。本发明实施例中，投影镜头的投影画面为100寸时，该投影镜头的投射比≤0.24，该投射比指反射镜距离屏幕的直线距离与投影画面的长度直线关系，即投影距离/屏幕长度尺寸，投射比反映了该透镜镜头的超短焦特性。在另一种可选的实施例中，投影镜头的投射画面的尺寸可以为90-120英寸，投射比为0.23-0.25。超短焦投影镜头与传统的非超短焦投影机相比，其投射比较小（小于1），因此，该投影镜头可以摆放至与投影屏幕很近的位置，节省了大量的空间，同时避免了需要靠近投影屏幕时，对影像光束的遮挡。

在本发明一种实施例中，当投影镜头的投射画面尺寸可调时，优选地，第二透镜组和反射镜之间的距离相对固定，通过移动第一透镜组，中继镜片相对第二透镜组的距离实现投影尺寸的可调。为了提高调节效率，也可以使得第二透镜组和反射镜之间的距离发生微调，调节距离范围在正负1mm以内。

当投影镜头的投射画面尺寸固定时，第二透镜组和反射镜之间的距离相对固定，比如在69.66971912mm或者71mm。

在本发明投影镜头实施例中，使用了一片三胶合透镜，一片双胶合透镜以及3片非球面透镜，并与其他透镜相配合，具有较强的像差和色差校正能力，本发明实施例提供的投影镜头的解像力通常可以为93lp/mm（即4K分辨率所要求的解像力），则投影镜头可以解析4K分辨率的图像，使得投影屏幕可以呈现更高清的图像，提升用户体验。

本发明实施例提供的投影镜头，折射系统的总长度为L1（即从第一球面透镜靠近光阀的一侧边缘面至第三非球面透镜靠近反射系统的一侧的边缘面的距离），折射系统和反射系统之间的间距为L2，其中，1.4 < L1/ L2 < 1.6，由于该反射系统中的镜片厚度可以忽略不计，因此，该L2可以是该投影镜头总长减去L1的数值。

由于镜片使用数量的减少，在本发明实施例提供的投影镜头中，使用的镜片数量少于16片，使得该投影镜头的长度范围为197-203mm，传统的投影镜头的长度至少为210mm，镜片数量也在20片左右，该投影镜头的长度的最大值比传统的投影镜头的长度的最小值小，其长度比传统的投影镜头的长度小，且该投影镜头中镜片的最大口径为52mm，传统的投影镜头中镜片的最大口径为60mm，其最大口径也比传统的投影镜头的最大口径小。因此，该投影镜头的整体体积较小。

在本发明一种实施例中，当投影镜头包括：沿着所述影像光束入射传输的方向依次排布的第一球面透镜、第一非球面透镜、第五球面透镜、第六球面透镜、第七球面透镜、第二球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜、第二非球面透镜、第八球面透镜、第九球面透镜、中继镜片、第十球面透镜、第十一球面透镜、第三非球面透镜和反射系统时，该投影镜头沿着所述影像光束入射传输的方向的各个镜片（除反射系统）的厚度依次为：7.79925152mm、7.02 mm、5.03 mm、1.5 mm、4.32 mm、3.5 mm、4.27622172 mm、1.8 mm、4.47553268 mm、1.5 mm、4.58 mm、6.11544835 mm、14.7 mm、3.5 mm和3.45 mm。该投影镜头沿着所述影像光束入射传输的方向的各个镜片之间的依次距离为：0.249 mm、0.249 mm、0mm、0mm、0.93 mm、0.5 mm、0.3 mm、1.133 mm、0.6946996 mm、0mm、7.42962132 mm、11.88678689 mm、2.63083486 mm、3.76248103 mm和69.66971912mm。

请参见图7，图7是根据本发明实施例提供的投影镜头的成像对比模拟界面示意图，也是投影成像系统的畸变分析图，如图7所示，图7中交叉线（+）为预成像位置，叉号（x）为实际投影镜头的成像位置，则交叉线与叉号的重合率越高，其成像的畸变值越低，其成像的畸变度越低。假设该投影镜头在投影画面为100寸（2214×1245mm²），影像光束的波长为0.5500μm，缩放比为1，由图7可知，该预成像位置与实际投影镜头的重合率较高，在该模拟界面中模拟得到的畸变最大值为0.3841%，因此，该投影镜头的成像的畸变度较低。

请参见图8，图8是本发明实施例提供的投影镜头的点列模拟界面示意图，也称点光斑成像示意图。图8中分别绘制有波长为0.4550um、0.5500um和0.6200um的光线，在10种不同视场条件下，经过该投影镜头后在投影屏幕上的点光斑成像，该10种视场分别采用标号1-10标识。其中，“+”标示波长为0.4550um的光线的点光斑成像，“×”标示波长为0.5500um的光线的点光斑成像，“□”标示波长为0.6200um的光线的点光斑成像。该点光斑成像的尺寸（也称全部弥散斑的直径，也即是几何半径，图8中用GEO RADIUS标识）越接近衍射极限1.392um，该投影镜头的成像的像质对比度越高。图8中比例尺（图8中采用SCALE BAR标识）为40，也即是图8所示的图像与真实图像的尺寸比例为1:40，图8中虚线A记录了标号（图8中采用FIB-O标识）分别为1-10的视场下，模拟得到的均方根半径值（图8中采用RMSRADIUS标识）为1.744、1.497、1.546、1.906、2.222、2.356、2.492、3.245、3.848和3.532，几何半径为3.430、3.765、2.755、4.492、5.680、5.986、5.880、9.316、11.737和10.903，则在投影屏幕上的点光斑的成像尺寸均≤11.737um，接近衍射极限1.392um，因此，该投影镜头的成像的像质对比度较高。

请参见图9至图18，该图9至图18是本发明实施例提供的投影镜头在图9所示的标号为1-10的10种不同的视场在归一化后的光学特性曲线图，该光学特性曲线也称光线扇面图（英文：ray faN），图9至图18的每幅图中的该光学特性曲线图用于表示在一种视场条件下3种波长光线相对于主波长光线（也即是经过发光点与光阑中心点的光线）在像面上的差值。该3种光线的波长分别为0.4550um、0.5500um和0.6200um，如图9至图18中每幅光学特性曲线图包括弧矢光扇面上的图像综合误差图M和子午光扇面上图像综合误差图N。在弧矢光扇面上的图像综合误差图M的坐标系中，横轴PX用于表示弧矢光扇上的光线摄入光瞳的归一化高度，该弧矢光扇为经过光瞳X轴的光束剖面，EX用于表示经过该弧矢光扇内指定光瞳上的光线入射到像面上时，在像面上的高度与当前视场的主光线在像面上的高度之差；在子午光扇面上图像综合误差图N的坐标系中，横轴PY用于表示子午光扇上的光线摄入光瞳的归一化高度，该子午光扇为经过光瞳Y轴的光束剖面，纵轴EY用于表示经过该子午光扇内指定光瞳上的光线入射到像面上，在像面上的高度与该视场的主光线在像面上的高度之差。在每幅图表中，EY和PY所在的坐标轴平面内与EX和PX所在的坐标轴平面内，多条曲线的重合率越高，该投影镜头的色差越小，当曲线越趋近PY轴或PX轴，该投影镜头的像差越小。由图9至图18可知，在每个视场下的弧矢光扇面上的图像综合误差图和子午光扇面上图像综合误差图中，多条曲线的重合率均较高，且均较趋近PY轴或PX轴，因此，该投影镜头的色差和像差较小。

进一步的，对于非球面透镜，塑胶材料加工较为容易，且价格较低，因此该第三非球面透镜的材料可以为塑胶，从而利于减少投影镜头的成本，并降低投影镜头的加工难度。

如图1所示，本发明实施例提供了一种投影成像系统，该投影成像系统包括：光阀10、全内反射TIR棱镜20和投影镜头40。该投影镜头40为本发明实施例提供的任一种投影镜头。该光阀10和TIR棱镜20沿靠近第一透镜组的方向依次排列，且共光轴。其中，该光阀用于在受到光照时产生影像光束，示例的，该光阀可以是数字微镜器件(英文：Digital Micromirror Device，简称：DMD)，该DMD的分辨率可以是2K、3K或者4K分辨率。示例的，该TIR棱镜可以是2个全反射棱镜，还可以是2N个全反射棱镜，N为大于1的整数。

可选的，如图2所示，该投影成像系统还包括映像偏移镜组30，该映像偏移镜组30位于TIR棱镜20靠近投影镜头40的一侧。该映像偏移镜组用于对TIR棱镜反射的影像光束进行偏移处理后，将偏移处理后的影像光束传递至投影镜头，具体地，映像偏移镜组30振动使得依次经过映像偏移镜组30的相邻两帧投影图像对应的影像光束不完全重叠，并将这相邻两帧投影图像对应的影像光束依次射向投影镜头40。示例的，该映像偏移镜组可以为板状透明器件，如平板透明玻璃，在该映像偏移镜组工作时，可以通过马达等设备驱动映像偏移镜组进行高频振动，进而实现该影像光束的偏移，通过连续的两幅投影画面光束的错位叠加，使得投影画面错位叠加，从视觉上利用暂留效果，人眼感知到的投影画面的清晰度得到了，从而提高了投影显示分辨率。

本发明实施例提供的投影成像系统中，光阀到第一透镜组的第一球面透镜的距离即为镜头的后工作距离，由于后工作距离与后焦距（英文：Back Focal LeNgth，简称：BFL）近似相等，因此，通常将后工作距离也称为BFL，投影镜头中折射系统和反射系统之间的间距L2，其中，0.3<BFL/L2<0.55。

本发明实施例提供的投影成像系统中，折射系统的总长度为L1（即从第一球面透镜靠近光阀的一侧边缘面至第三非球面透镜靠近反射系统的一侧的边缘面的距离），折射系统和反射系统的间距为L2 ，其中， BFL满足:0.05< BFL/ (L1+L2) < 0.25， 以满足镜头超短焦特性，也即是满足超短焦镜头的特性。

本发明实施例提供的投影成像系统中，光阀像素面相对光轴的偏移量offset满足关系式：132%<offset<150%，该光阀像素面指的是该光阀反射影像光束的平面。

以及，在本发明实施例提供的投影成像系统中，为了配合投影镜头的小型化，光阀DMD也相应采用小尺寸的型号，从而从光阀出射的光口径减小，投影镜头镜片的光口径也可以较小，利于投影镜头体积的小型化。具体地，光阀采用0.47英寸的DMD。

请参见图19，图19是根据本发明实施例提供的投影成像系统的系统成像光路的原理示意图。如图19所示，当光阀受到光照时，该光阀输出影像光束，该影像光束通过TIR棱镜后被反射至映像偏移镜组，进而通过被传递至折射系统41，该影像光束通过该折射系统41后，在一定程度上聚合，进行第一次成像，成像后的影像光束进入反射系统后，该反射系统42将该影像光束反射出去，在投影屏幕上进行第二次成像，通过投影屏幕显示大尺寸的该第二次成像得到的图像。

请参见图20，图20是根据本发明实施例提供的投影成像系统中的影像光束走向示意图。如图20所示，该影像光束经过投影镜头40后，被反射至投影屏幕50上，在该投影屏幕50上显示大尺寸的图像。

综上所述，本发明实施例提供的投影镜头及投影成像系统中投影镜头的折射系统的第一透镜组中包括一个三胶合透镜和一个双胶合透镜，以及两片非球面透镜的组合，三胶合透镜和双胶合透镜均具有较高的色差的校正能力，且该三胶合透镜和双胶合透镜与非球面透镜相互配合，能够对五种单色像差进行较好的校正，从而可以使投影镜头同时具有较高的色差和像差的校正能力，可以大大减少常规透镜及透镜组合的使用数量，从使得投影镜头在具有较高的解像力的同时，投影镜头整体镜片的数量相应减少，同时，投影镜头分为第一透镜组，中继镜片，第二透镜组，通过上述第一透镜组有效的对色差和像差进行校正，可以大大减轻中继镜片和第二透镜组对成像的校正负担，从而中继镜片和第二透镜组可以采用较少数量的镜片，整体镜片数量可以控制在20片以内，上述投影镜头的镜片组成能够有效缩短投影镜头的长度，利于实现体积小型化的投影镜头，利于实现小型化的投影成像系统。

同时，光阀部件采用小尺寸的DMD芯片，利于减小进入投影镜头的光口径，可以减小镜片的尺寸，也利于投影镜头体积的小型化。

以及，本发明实施例还提供了一种激光投影设备，具体地，如图21所示，为一种激光投影设备的架构示意图，该激光投影设备可以是激光影院或者激光电视，或者其他激光投影仪器。

如图21所示，包括激光光源90，以及如前述实施例所述的投影成像系统91，以及投影屏幕92。其中，投影成像系统91具体包括光机911，超短焦投影镜头912，超短焦投影镜头912可以为上述实施例中的投影镜头。激光光源90为投影成像系统91提供照明光束，激光光源90可以是单色或双色激光光源和荧光光源组成的混合光源，也可以是三色激光光源。光机911用于根据图像处理信号对照明光束进行调制后形成影像光束，具体地，光机911包括光阀及光阀照明系统，光阀是一种光调制器件，可以是DMD芯片或者是液晶光阀，在DLP投影中，光阀为DMD芯片。光阀将影像光束反射至超短焦投影镜头912，超短焦投影镜头912用于对影像光束校正放大后投射至投影屏幕92成像。

上述的激光投影设备用于采用了小型化的投影成像系统，激光光源也可以配合，采用小型化的激光器阵列，比如MCL激光器阵列，可以在输出高亮度的同时光源的体积还较小，从而上述激光投影设备也可以实现小型化。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (12)

1.一种投影成像系统，其特征在于，包括光阀，投影镜头，其中，所述光阀用于对光束调制产生影像光束，并将所述影像光束输出至所述投影镜头，所述投影镜头包括：

沿着所述影像光束入射传输的方向依次排布折射系统和反射系统，

所述折射系统用于将进入所述折射系统的影像光束折射至所述反射系统中；

所述反射系统用于将所述折射系统输出的影像光束反射成像到投影介质上；

所述折射系统包括第一透镜组，中继镜片，第二透镜组，

沿着所述影像光束入射传输的方向，所述第一透镜组包括第一非球面透镜，由一个三胶合透镜和一个双胶合透镜组成的胶合透镜组，以及位于所述三胶合透镜和双胶合透镜之间的第二非球面镜片；

所述中继镜片包括n片镜片，1≤n≤2；

所述第二透镜组包括N片镜片，2<N<5。

2.根据权利要求1所述的投影成像系统，其特征在于，

所述中继镜片用于降低所述第一透镜组输出的所述影像光束在所述第二透镜组中各个镜片上的归一化高度。

3.根据权利要求1所述的投影成像系统，其特征在于，中继镜片为一片球面透镜。

4.根据权利要求1所述的投影成像系统，其特征在于，

所述第一透镜组还包括多片球面透镜，所述折射系统还包括孔径光阑，所述孔径光阑位于所述第一透镜组中，且所述孔径光阑的两侧均为球面透镜。

5.根据权利要求4所述的投影成像系统，其特征在于，

所述第一透镜组包括m片镜片，6<m<16。

6.根据权利要求1所述的投影成像系统，其特征在于，

所述第二透镜组包括：沿着所述影像光束入射传输的方向依次排布的正光焦度的第十球面透镜、负光焦度的第十一球面透镜和负光焦度的第三非球面透镜。

7.根据权利要求1所述的投影成像系统，其特征在于，

所述三胶合球面透镜包括：沿着所述影像光束入射传输的方向依次排布的正光焦度的第五球面透镜、负光焦度的第六球面透镜和正光焦度的第七球面透镜；

所述双胶合球面透镜包括：沿着所述影像光束入射传输的方向依次排布的负光焦度的第八球面透镜和正光焦度的第九球面透镜。

8.根据权利要求1所述的投影成像系统，其特征在于，所述光阀为0.47英寸DMD芯片。

9.根据权利要求4所述的投影成像系统，其特征在于，

沿着所述影像光束入射传输的方向，所述第一透镜组的第一透镜为球面透镜。

10.根据权利要求1至9任一所述的投影成像系统，其特征在于，

在所述光阀和所述投影镜头之间还设置有映像偏移镜组，所述映像偏移镜组振动使得依次经过所述映像偏移镜组的相邻两帧投影图像对应的影像光束不完全重叠，并将所述相邻两帧投影图像对应的影像光束依次射向所述投影镜头。

11.根据权利要求1至9任一所述的投影成像系统，其特征在于，所述投影镜头为物方远心，

以及，所述投影成像系统还包括TIR棱镜，

所述TIR棱镜用于将经所述光阀调制后的所述影像光束反射至所述投影镜头。

12.一种激光投影设备，其特征在于，包括激光光源，以及如权利要求1至11任一项所述的投影成像系统；所述激光光源为所述投影成像系统提供照明光束。

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