CN111580267B - 光学系统及投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学系统及投影装置，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、振镜、第一镜组、第二镜组以及第三镜组；所述振镜振动用于调整所述显示单元发出的光线传输方向；所述第一镜组和所述第三镜组具有正光焦度；所述第二镜组具有负光焦度；所述第三镜组包括反射镜，所述反射镜凹向所述显示单元设置；所述光学系统满足如下关系：12.0<f10<15.0；‑20.0<f20<‑16.0；14.5<f30<16.5；其中，所述f10表示所述第一镜组的焦距，所述f20表示所述第二镜组的焦距，所述f30表示所述第三镜组的焦距。本发明提供一种光学系统及投影装置，旨在解决现有技术中投影装置的投射比较大，无法在短距离内投射出大尺寸的投影图像的问题。

Description

光学系统及投影装置

技术领域

本发明涉及投影技术领域，尤其涉及一种光学系统及投影装置。

背景技术

微型投影是将传统投影装置进行小型化，便携化的一种投影技术。在微型投影技术领域中，微投设备正逐步向着微型化，高亮度，便携式的方向发展，目前的微投设备中，投射比基本都在1.2左右，无法在短距离内投射出大尺寸的投影图像，为了增加投影装置的投射比，通常需要增加光学透镜的方式减小投影装置的投射比，而增加光学透镜的方式会导致投影装置内光学系统的体积的增大，从而导致微投设备的体积增大的问题。

发明内容

本发明提供一种光学系统及投影装置，旨在解决现有技术中投影装置的投射比较大，无法在短距离内投射出大尺寸的投影图像的问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种光学系统，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、振镜、第一镜组、第二镜组以及第三镜组；

所述振镜振动以调整所述显示单元发出的光线传输方向；

所述第一镜组和所述第三镜组具有正光焦度；所述第二镜组具有负光焦度；

所述第三镜组包括反射镜，所述反射镜凹向所述显示单元设置；

所述光学系统满足如下关系：

12.0<f10<15.0；-20.0<f20<-16.0；14.5<f30<16.5；

其中，所述f10表示所述第一镜组的焦距，所述f20表示所述第二镜组的焦距，所述f30表示所述第三镜组的焦距。

可选的，所述反射镜的反射面为非球面结构。

可选的，所述第一镜组沿光线传输方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；

所述第一透镜、所述第二透镜和所述第四透镜具有正光焦度；

所述第三透镜具有负光焦度。

可选的，所述第一透镜的入光面为凸面结构，出光面为凸面结构；

所述第二透镜的入光面为凸面结构，出光面为凸面结构；

所述第三透镜的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；

所述第四透镜的入光面为凸面结构，出光面为凸面结构。

可选的，所述第一镜组满足如下关系：

16.5<f1<18.5；90<f2<94；-16.9<f3<-15.9；13.5<f4<15.5；

其中，所述f1为所述第一透镜的焦距，所述f2为所述第二透镜的焦距，所述f3为所述第三透镜的焦距，所述f4为所述第四透镜的焦距。

可选的，所述第二镜组沿光线传输方向依次包括第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜以及第九透镜；

所述第五透镜具有负光焦度；所述第六透镜具有正光焦度；

所述第七透镜具有负光焦度；所述第八透镜具有负光焦度；所述第九透镜具有负光焦度。

可选的，所述第五透镜的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；

所述第六透镜的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；

所述第七透镜的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；

所述第八透镜的入光面为凹面结构，出光面为凹面结构；

所述第九透镜的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构。

可选的，所述第二镜组满足如下关系：

-43.5<f5<-45.5；20.6<f6<22.6；-46.5<f7<-48.5；-28.5<f8<-26.5；-53.3<f9<-51.3；

其中，所述f5为所述第五透镜的焦距，所述f6为所述第六透镜的焦距，所述f7为所述第七透镜的焦距，所述f8为所述第八透镜的焦距，所述f9为所述第九透镜的焦距。

可选的，所述光学系统还设有光阑，所述光阑设于所述第一镜组与所述第二镜组之间。

为实现上述目的，本申请提出一种投影装置，所述投影装置包括如上述任一项实施方式所述的光学系统。

本申请提出的技术方案中，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、振镜、第一镜组、第二镜组以及第三镜组，所述振镜振动以调整所述显示单元发出的光线传输方向；所述第一镜组和所述第三镜组具有正光焦度，所述第二镜组具有负光焦度；所述第三镜组包括反射镜，所述反射镜凹向所述显示单元设置。所述显示单元发出的光线经过所述振镜时，由于所述振镜振动从而使光线沿振动方向进行偏折，经过偏折的光线依次经过所述第一镜组与所述第二镜组后，在所述反射镜发生反射后投射至成像面，由于所述振镜摆动能够将所述显示单元发出的光线传输至所述成像面的不同位置，从而能够在所述振镜的摆动作用下增大所述显示单元在所述成像面的成像范围，解决现有技术中投影装置的投射比较大，无法在短距离内投射出大尺寸的投影图像的问题。

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是本发明光学系统的结构示意图；

图2是本发明光学系统除反射镜外的结构示意图；

图3是本发明第一实施例的调制传递函数图；

图4是本发明第一实施例的场曲与光学畸变图；

图5是本发明第一实施例的垂轴色差图。

附图标号说明：

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，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)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，在本发明中如涉及“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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明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。

本发明提供一种光学系统及投影装置。

请参照图1与图2，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元10、振镜20、第一镜组30、第二镜组40以及第三镜组50；

所述振镜20振动用于调整所述显示单元10发出的光线传输方向；

所述第一镜组30和所述第三镜组50具有正光焦度；所述第二镜组40具有负光焦度；

所述第三镜组50包括反射镜51，所述反射镜51凹向所述显示单元10设置；

所述光学系统满足如下关系：

12.0<f10<15.0；-20.0<f20<-16.0；14.5<f30<16.5；

其中，所述f10表示所述第一镜组30的焦距，所述f20表示所述第二镜组40的焦距，所述f30表示所述第三镜组50的焦距。

本申请提出的技术方案中，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元10、振镜20、第一镜组30、第二镜组40以及第三镜组50，所述振镜20振动以调整所述显示单元10发出的光线传输方向；所述第一镜组30和所述第三镜组50具有正光焦度，所述第二镜组40具有负光焦度；所述第三镜组50包括反射镜51，所述反射镜51凹向所述显示单元10设置。所述显示单元10发出的光线经过所述振镜20时，由于所述振镜20振动从而使光线沿振动方向进行偏折，经过偏折的光线依次经过所述第一镜组30与所述第二镜组40后，在所述反射镜51发生反射后投射至成像面，由于所述振镜20摆动能够将所述显示单元10发出的光线传输至所述成像面的不同位置，从而能够在所述振镜20的摆动作用下增大所述显示单元10在所述成像面的成像范围，解决现有技术中投影装置的投射比较大，无法在短距离内投射出大尺寸的投影图像的问题。另外，在保证所述光学系统的成像质量的同时，通过增加了所述光学系统的相对孔径值，有效的提高了所述光学系统对应的投影装置的投射亮度。

其中，投射比是指投影装置的投影距离与画面宽度之比，当投射比越小时，表示所述投影装置越能够在近距离投影出大尺寸的画面。

优选实施方式中，通过振镜20将显示单元10发出的不同光束投射至不同位置，除了可以提高所述光学系统在所述成像面的成像范围，还能够提高所述光学系统对应的投影装置的分辨率，具体的，当所述显示单元10的显示分辨率固定时，通过调节所述振镜20的摆动角度，能够使所述显示单元10发出的光线在经过所述反射镜反射后，传输至未设置所述振镜20时所述成像画面相邻像素点之间的区域位置，从而增加了所述成像画面的细节显示，提高了所述光学系统对应的投影装置的成像分辨率。

优选实施方式中，所述反射镜51为非球面结构，所述反射镜511用于对光线进行偏转，相比于透射式投影，所述光学系统采用所述反射镜51能够有效的降低投影装置的投射比，并有效地减少所述光学系统的镜片数量。

在可选的实施方式中，所述第一镜组30沿光线传输方向依次包括第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33以及第四透镜34；

所述第一透镜31具有正光焦度；所述第二透镜32具有正光焦度；

所述第三透镜33具有负光焦度；所述第四透镜34具有正光焦度。

其中，光焦度用于表示光学系统偏折光线的能力，等于光学系统像方光束会聚度与物方光束会聚度之差。

在可选的实施方式中，所述第一透镜31的入光面为凸面结构，出光面为凸面结构；所述第二透镜32的入光面为凸面结构，出光面为凸面结构；所述第三透镜33的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；所述第四透镜34的入光面为凸面结构，出光面为凸面结构。

其中，透镜的入光面是指光线进入透镜时的表面，透镜的出光面是指光线从透镜射出时的表面。

在可选的实施方式中，所述第一镜组30满足如下关系：

16.5<f1<18.5；90<f2<94；-16.9<f3<-15.9；13.5<f4<15.5；

其中，所述f1为所述第一透镜31的焦距，所述f2为所述第二透镜32的焦距，所述f3为所述第三透镜33的焦距，所述f4为所述第四透镜34的焦距。

在可选的实施方式中，所述第二镜组40沿光线传输方向依次包括第五透镜41、第六透镜42、第七透镜43、第八透镜44以及第九透镜45；

所述第五透镜41具有负光焦度；所述第六透镜42具有正光焦度；

所述第七透镜43具有负光焦度；所述第八透镜44具有负光焦度；所述第九透镜45具有负光焦度。

在可选的实施方式中，所述第五透镜41的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；所述第六透镜42的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；所述第七透镜43的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；所述第八透镜44的入光面为凹面结构，出光面为凹面结构；所述第九透镜45的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构。

在可选的实施方式中，所述第二镜组40满足如下关系：

-43.5<f5<-45.5；20.6<f6<22.6；-46.5<f7<-48.5；-28.5<f8<-26.5；-53.3<f9<-51.3；

其中，所述f5为所述第五透镜41的焦距，所述f6为所述第六透镜42的焦距，所述f7为所述第七透镜43的焦距，所述f8为所述第八透镜44的焦距，所述f9为所述第九透镜45的焦距。

在可选的实施方式中，通过对所述第一镜组30与所述第二镜组40中不同透镜的焦距范围进行限制，能够有效地增大所述光学系统的数值孔径，从而增大应用所述光学系统的投影装置的投影亮度。

在可选的实施方式中，所述反射镜51的反射面为非球面结构，所述第一透镜31的入光面与出光面为非球面结构，所述第九透镜45的入光面与出光面为非球面结构。

其中，非球面结构相比于球面结构，能够有效的减小镜片的边缘像差，提高所述光学系统的性能，从而减少镜片的需求数量，缩短所述光学系统的总长。通过非球面结构，有效地实现多个球面透镜校正像差的效果，有利于实现所述光学系统的小型化。

优选实施方式中，所述第九透镜45为光学玻璃材质，具体的，由于投影装置在工作过程中，所述显示单元10会逐渐发热，为了避免所述显示单元10发出的热量影响所述光学系统，使所述光学系统的透镜变形，光学玻璃相对于光学塑料，具有较好的热稳定性，从而避免高温对其他透镜的成像的影响。

在可选的实施方式中，所述投影光学系统还包括分光棱镜70，所述分光棱镜70设于所述显示单元10与所述振镜20之间。在一实施例中，所述分光棱镜70用于将所述显示单元10发出的光线进行分光，其中一束光传递至所述光学系统的后续光学元件，另一束光传输至投影装置的其他功能模块。

在可选的实施方式中，所述投影光学系统还包括保护玻璃80，其中，所述保护玻璃80设于所述显示单元10与所述分光棱镜70之间，用于保护所述显示单元10受到外界环境或其他元件的冲击影响。

在可选的实施方式中，在可选的实施方式中，所述光学系统还包括光阑60，所述光阑60设于所述第一镜组30与所述第二镜组40之间，其中，光阑60是指光学系统中用于限制光束的光学元件，主要用于限制所述光学系统的光线或视场大小，具体的，所述光阑60用于限制从所述第一镜组30进入所述第二镜组40的光线大小。

在可选的实施方式中，所述显示单元10可以为发光二极管(Light EmittingDiode，LED)或有机发光二极管(Organic Light Emitting Display，OLED)或微型发光二极管(Micro Light-Emitting Diode，Micro LED)或迷你发光二极管(Mini Light-EmittingDiode，Micro LED)或液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)。可以理解的是，所述显示单元10还可以为不同波长的激光光源或其他能够发出光束的光源体。

第一实施例

在第一实施例中，所述光学系统的设计数据如表1所示：

表1

其中，所述光学系统的焦距f为1.29mm；

所述光学系统的光圈数Fno为1.7；

所述光学系统的投射比为0.25；

所述光学系统的总长为144mm。

其中，所第一透镜31的入光面与出光面与所述第八透镜44的入光面与出光面为非球面结构，其中A4、A6、A8、A10为非球面透镜的非球面高次项系数，具体如表2所示。

表2

其中，所述反射镜51、第一透镜31的入光面与出光面以及所述第九透镜45的入光面与出光面为偶次非球面结构，其中，所述偶次非球面满足以下关系：

其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥系数；ai表示第i次的非球面系数。

于另一实施例中，所述反射镜51、第一透镜31的入光面与出光面以及所述第九透镜45的入光面与出光面也可以为奇次非球面结构，其中，所述奇次非球面满足以下关系：

其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥系数；βi表示第i次的非球面系数。

请参照图3，图3为第一实施例的调制传递函数图，其中，调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。调制传递函数的纵轴数值越高表示成像分辨率越高。在第一实施例中，所述光学系统在各个视场的MTF值均在0.53以上。

请参照图4，图4为第一实施例的场曲与光学畸变图，其中，场曲用于表示不同视场点的光束像点离开像面的位置变化，光学畸变是指某一视场主波长时的主光线与像面交点离开理想像点的垂轴距离；在所述第一实施例中，在切线面以及弧矢面的场曲均小于±0.05mm，最大畸变量<2％。

请参照图5，图5为第一实施例的垂轴色差图，其中，垂轴色差是指又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，氢蓝光与氢红光在像面上的焦点位置的差值；在所述第一实施例中，所述光学系统的最大色散为所述光学系统的视场最大位置，所述光学系统的最大色差值小于3μm，当像素大小为5.4μm时，所述第一实施例的垂轴色差小于0.6个像素大小，可满足用户的需求。

本发明还提出一种投影装置，所述投影装置包括如上述任一实施方式所述的投影光学系统，该投影光学系统的具体结构参照上述实施例，由于该投影光学系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

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 (8)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、振镜、第一镜组、第二镜组以及第三镜组；

所述振镜振动用于调整所述显示单元发出的光线传输方向；

所述第一镜组和所述第三镜组具有正光焦度；所述第二镜组具有负光焦度；

所述第二镜组沿光线传输方向依次包括第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜以及第九透镜；

所述第五透镜具有负光焦度；所述第六透镜具有正光焦度；

所述第七透镜具有负光焦度；所述第八透镜具有负光焦度；所述第九透镜具有负光焦度；

所述第五透镜的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；

所述第六透镜的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；

所述第七透镜的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；

所述第八透镜的入光面为凹面结构，出光面为凹面结构；

所述第九透镜的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；

所述第三镜组包括反射镜，所述反射镜凹向所述显示单元设置；

所述光学系统满足如下关系：

12.0<f10<15.0；-20.0<f20<-16.0；14.5<f30<16.5；

其中，所述f10表示所述第一镜组的焦距，所述f20表示所述第二镜组的焦距，所述f30表示所述第三镜组的焦距。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述反射镜的反射面为非球面结构。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一镜组沿光线传输方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；

所述第一透镜、所述第二透镜和所述第四透镜具有正光焦度；

所述第三透镜具有负光焦度。

4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，

所述第一透镜的入光面为凸面结构，出光面为凸面结构；

所述第二透镜的入光面为凸面结构，出光面为凸面结构；

所述第三透镜的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；

所述第四透镜的入光面为凸面结构，出光面为凸面结构。

5.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第一镜组满足如下关系：

16.5<f1<18.5；90<f2<94；-16.9<f3<-15.9；13.5<f4<15.5；

其中，所述f1为所述第一透镜的焦距，所述f2为所述第二透镜的焦距，所述f3为所述第三透镜的焦距，所述f4为所述第四透镜的焦距。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二镜组满足如下关系：

-43.5<f5<-45.5；20.6<f6<22.6；-46.5<f7<-48.5；-28.5<f8<-26.5；-53.3<f9<-51.3；

其中，所述f5为所述第五透镜的焦距，所述f6为所述第六透镜的焦距，所述f7为所述第七透镜的焦距，所述f8为所述第八透镜的焦距，所述f9为所述第九透镜的焦距。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还设有光阑，所述光阑设于所述第一镜组与所述第二镜组之间。

8.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括如权利要求1-7任一项所述的光学系统。

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