CN111856719A - 光学系统及投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学系统及投影设备，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一镜组、第二镜组以及反射镜；所述第一镜组与所述第二镜组均具有正光焦度；所述光学系统满足以下关系：0.01≤|φ₁₀₀|≤0.02；0.005≤|φ₂₀₀|≤0.015；其中，φ₁₀₀表示所述第一镜组的光焦度，所述φ₂₀₀表示所述第二镜组的光焦度。本发明提供一种光学系统及投影设备，旨在解决现有技术中投影设备的光学系统中光学透镜数量较多，导致投影设备体积过大、重量过重，组装效率低的问题。

Description

光学系统及投影设备

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光学系统及投影设备。

背景技术

超短焦投影光学系统因其投射距离短，投射画面大，在家用、教育、办公等领域已被广泛使用。

目前市场上的超短焦投影镜头多采用折射加反射的结构形式，为了校正投影设备中光学系统的像差，光学系统中通常需要多个光学透镜相互配合使用，现有技术中，光学系统中的折射镜组通常多于3个镜组，并且每个镜组中的透镜数量较多，从而导致光学系统的体积较大，重量较重，当光学系统中的透镜的个数越多时，光学系统的装配难度越高，从而降低了投影设备的组装效率。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明提供一种光学系统及投影设备，旨在解决现有技术中投影设备的光学系统中光学透镜数量较多，导致投影设备体积过大、重量过重，组装效率低的问题。

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、第一镜组、第二镜组以及反射镜；

所述第一镜组与所述第二镜组均具有正光焦度；

所述光学系统满足以下关系：

0.01≤|φ₁₀₀|≤0.02；0.005≤|φ₂₀₀|≤0.015；

其中，φ₁₀₀表示所述第一镜组的光焦度，所述φ₂₀₀表示所述第二镜组的光焦度。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

0.015≤|φ₁₀₀+φ₃₀₀|≤0.025；

其中，所述φ₁₀₀表示所述第二透镜组的光焦度，所述φ₃₀₀表示所述反射镜的光焦度。

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、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜以及第九透镜，

所述第二镜组沿光线传输方向依次包括第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜。

可选的，所述光学系统满足如下关系：

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜具有正光焦度；

所述第四透镜、所述第七透镜、所述第十三透镜、所述第十四透镜以及所述第十五透镜具有负光焦度。

可选的，所述光学系统满足如下关系：0.98≤T15/T≤1.15；

其中，所述T15表示第一透镜与所述第十五透镜之间的距离，所述T表示所述第二透镜组与所述反射镜之间的距离。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

0.01≤|φ₂|≤0.015；0.015≤|φ₆|≤0.025；

0.015≤|φ₉|≤0.25；0.04≤|φ₁₅|≤0.05；

其中，所述φ₂表示所述第二透镜的光焦度，所述φ₆表示所述第六透镜的光焦度，所述φ₉表示所述第九透镜的光焦度，所述φ₁₅表示所述第十五透镜的光焦度；所述|φ₂|表示所述φ₂的绝对值，所述|φ₆|表示所述φ₆的绝对值，所述|φ₉|表示所述φ₉的绝对值，所述|φ₁₅|表示所述φ₁₅的绝对值。

可选的，所述第一镜组还包括光阑，所述光阑设于所述第八透镜与第九透镜之间。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

d/T15≥0.65；

其中，所述d表示所述第十五透镜与所述光阑之间的距离。

可选的，所述光学系统还包括移动组件，所述移动组件与所述第一镜组以及所述第二镜组连接，用于带动所述第一镜组与所述第二镜组在所述光学系统中移动，所述第一镜组与所述第二镜组的移动方向相同。

为实现上述目的，本申请提出一种投影设备，所述投影设备包括壳体与如上述任一项实施方式所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体内。

本申请提出一种光学系统，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一镜组、第二镜组以及反射镜；所述第一镜组与所述第二镜组均具有正光焦度；所述光学系统满足以下关系：0.01≤|φ₁₀₀|≤0.02；0.005≤|φ₂₀₀|≤0.015；其中，φ₁₀₀表示所述第一镜组的光焦度，所述φ₂₀₀表示所述第二镜组的光焦度。在所述光学系统中，所述显示单元发出的光线在经过所述第一镜组与所述第二镜组的综合作用后传输至所述反射镜，并在反射镜的反射作用下投射出显示画面，通过所述第一镜组与所述第二镜组提高所述投影设备的成像质量，从而解决现有技术中投影设备的光学系统中光学透镜数量较多，导致投影设备体积过大、重量过重，组装效率低的问题。

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是本发明光学系统第一实施例的调制传递函数图；

图3是本发明光学系统第一实施例的垂轴色差图；

图4是本发明光学系统第一实施例的场曲与畸变图。

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设备。

请参照图1，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一镜组、第二镜组以及反射镜；

所述第一镜组与所述第二镜组均具有正光焦度；

所述光学系统满足以下关系：

0.01≤|φ₁₀₀|≤0.02；0.005≤|φ₂₀₀|≤0.015；

其中，φ₁₀₀表示所述第一镜组的光焦度，所述φ₂₀₀表示所述第二镜组的光焦度。具体的，光焦度为像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，用于表示光学系统对入射平行光束的屈折能力。当正光焦度越大时，表示透镜对光线的聚焦能力越强，当负光焦度的绝对值越大时，表示透镜对光线的发散能力越强。

本申请提出一种光学系统，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一镜组、第二镜组以及反射镜；所述第一镜组与所述第二镜组均具有正光焦度；所述光学系统满足以下关系：0.01≤|φ₁₀₀|≤0.02；0.005≤|φ₂₀₀|≤0.015；其中，φ₁₀₀表示所述第一镜组的光焦度，所述φ₂₀₀表示所述第二镜组的光焦度。在所述光学系统中，所述显示单元发出的光线在经过所述第一镜组与所述第二镜组的综合作用后传输至所述反射镜，并在反射镜的反射作用下投射出显示画面，通过所述第一镜组与所述第二镜组提高所述投影设备的成像质量，从而解决现有技术中投影设备的光学系统中光学透镜数量较多，导致投影设备体积过大、重量过重，组装效率低的问题。

优选实施方式中，由于投影设备在使用过程中，投影出的画面通常只在投影设备的上方，因此为了节省所述光学系统的体积与重量，可以设置所述光学系统中的所述反射镜设置在所述光学系统的光轴的一侧，从而保证所述显示单元发出的光线在经过所述第一镜组与所述第二镜组后，全部光线均传输至所述光学系统的光轴的同一侧，并被所述反射镜反射至成像面。相比将所述反射镜设置在所述光轴的两侧，将所述反射镜设置在所述光轴的一侧能够有效的减小所述光学系统的体积。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

0.015≤|φ₁₀₀+φ₃₀₀|≤0.025；

其中，所述φ₁₀₀表示所述第二透镜组的光焦度，所述φ₃₀₀表示所述反射镜的光焦度。当所述第二镜组中的任意透镜的面型或曲率半径发生变化时，所述第二透镜组的光焦度也随之变化。

在可选的实施方式中，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、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜以及第九透镜，

所述第二镜组沿光线传输方向依次包括第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜。

优选实施方式中，所述第三透镜、所述第四透镜以及所述第五透镜胶合连接，所述第七透镜与所述第八透镜胶合连接。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足如下关系：

第一透镜具有正光焦度；第二透镜具有正光焦度；

第三透镜具有正光焦度；第四透镜具有负光焦度；

第五透镜具有正光焦度；第六透镜具有正光焦度；

第七透镜具有负光焦度；第八透镜具有正光焦度；

第九透镜具有正光焦度；第十透镜具有正光焦度；

第十一透镜具有正光焦度；第十二透镜具有正光焦度；

第十三透镜具有负光焦度；第十四透镜具有负光焦度；

第十五透镜具有负光焦度。

具体的，通过所述第一透镜至所述第十五透镜不同的光焦度设置，使显示单元发出的光线在经过第一透镜至所述第十五透镜时光线发生多次折射，从而使光线能够在较小像差的情况下传输至所述反射镜。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足如下关系：0.98≤T15/T≤1.15；

其中，所述T15表示第一透镜的出光面与所述第十五透镜的入光面之间的距离，所述T表示所述第二透镜组的出光面与所述反射镜的反射面之间的距离。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

0.01≤|φ₂|≤0.015；0.015≤|φ₆|≤0.025；

0.015≤|φ9|≤0.25；0.04≤|φ₁₅|≤0.05；

其中，所述φ₂表示所述第二透镜的光焦度，所述φ5表示所述第六透镜的光焦度，所述φ9表示所述第九透镜的光焦度，所述φ₁₅表示所述第十五透镜的光焦度；所述|φ₂|表示所述φ₂的绝对值，所述|φ₆|表示所述φ₆的绝对值，所述|φ9|表示所述φ9的绝对值，所述|φ₁₅|表示所述φ₁₅的绝对值。

在可选的实施方式中，所述第一镜组还包括光阑，所述光阑设于所述第八透镜与第九透镜之间。其中，光阑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，所述光阑用于限制从所述第七透镜进入所述第八透镜的光线大小。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

d/T15≥0.65；

其中，所述d表示所述第十五透镜与所述光阑之间的距离。

在可选的实施方式中，所述光学组件还包括移动组件，所述移动组件与所述第一镜组以及所述第二镜组连接，用于带动所述第一镜组与所述第二镜组在所述光学系统中移动，优选实施方式中，所述移动组件可以为丝杆结构或齿轮结构，所述移动组件还包括控制部，用户可以通过所述控制部调整所述第一镜组与所述第二镜组的位置，优选实施方式中，所述第一镜组与所述第二镜组联动设置，所述第一镜组与所述第二镜组的移动方向相同，可以理解的是，所述第一镜组与所述第二镜组的移动方式不限于此，所述第一镜组与所述第二镜组还可以为相互独立的镜组，并可以均通过所述移动组件进行位置调整。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括转向棱镜，所述转向棱镜设于所述第一透镜的出光侧。优选的，所述转向棱镜为直角三角棱镜。

在第一实施例中，光学系统设计数据如下表1所示：

表1

其中，所述第一表面21非球面结构，其中A4，A6，A8，A10，A12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，A1、A2、A3、A4、A5、A6以及A7用于表示非球面的偶次圆锥系数。

其中，所述第二表面22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，所述第二表面22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。

所述第一实施例中，各参数如下所述：

所述光学系统的投射范围为0.42-0.5m。

请参照图2，图2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0.4以上。

请参照图3，图3为第一实施例的垂轴色差图，其中，垂轴色差又称为倍率色差，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2.8μm。

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±0.1mm，最大畸变＜1％。

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 (10)

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、第一镜组、第二镜组以及反射镜；

所述第一镜组与所述第二镜组均具有正光焦度；

所述光学系统满足以下关系：

0.01≤|φ₁₀₀|≤0.02；0.005≤|φ₂₀₀|≤0.015；

其中，φ₁₀₀表示所述第一镜组的光焦度，所述φ₂₀₀表示所述第二镜组的光焦度。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

0.015≤|φ₁₀₀+φ₃₀₀|≤0.025；

其中，所述φ₁₀₀表示所述第二透镜组的光焦度，所述φ₃₀₀表示所述反射镜的光焦度。

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、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜以及第九透镜，

所述第二镜组沿光线传输方向依次包括第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜。

4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足如下关系：

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜具有正光焦度；

所述第四透镜、所述第七透镜、所述第十三透镜、所述第十四透镜以及所述第十五透镜具有负光焦度。

5.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足如下关系：0.98≤T15/T≤1.15；

其中，所述T15表示第一透镜与所述第十五透镜之间的距离，所述T表示所述第二透镜组与所述反射镜之间的距离。

6.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

0.01≤|φ₂|≤0.015；0.015≤|φ₆|≤0.025；

0.015≤|φ₉|≤0.25；0.04≤|φ₁₅|≤0.05；

其中，所述φ₂表示所述第二透镜的光焦度，所述φ₆表示所述第六透镜的光焦度，所述φ₉表示所述第九透镜的光焦度，所述φ₁₅表示所述第十五透镜的光焦度；所述|φ₂|表示所述φ₂的绝对值，所述|φ₆|表示所述φ₆的绝对值，所述|φ₉|表示所述φ₉的绝对值，所述|φ₁₅|表示所述φ₁₅的绝对值。

7.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第一镜组还包括光阑，所述光阑设于所述第八透镜与第九透镜之间。

8.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

d/T15≥0.65；

其中，所述d表示所述第十五透镜与所述光阑之间的距离。

9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括移动组件，所述移动组件与所述第一镜组以及所述第二镜组连接，用于带动所述第一镜组与所述第二镜组在所述光学系统中移动，所述第一镜组与所述第二镜组的移动方向相同。

10.一种投影设备，其特征在于，所述投影设备包括壳体与如权利要求1-9任一项所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体内。

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