CN112764208A - 一种光学系统及投影设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学系统及投影设备，光学系统包括沿光线传输方向依次分布的显示单元、第一透镜组、第二透镜组以及反射镜，第一透镜组具有正光焦度，其中，第二透镜组具有负光焦度，第二透镜组与反射镜的光焦度总和为正，第一透镜组靠近显示单元一侧到第二透镜组远离显示单元一侧的距离为T0，第二透镜组远离显示单元一侧到反射镜的距离为T，T0/T大于等于0.8，且小于等于1.1。本发明提供的光学系统体积小，可便携式移动。

Description

一种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
近年来随着投影技术的发展，投影机被广泛应用在家用、商用等领域，其中，超短焦光学系统多采用折射加反射的结构形式，同时多个光学透镜相互配合使用，以校正投影设备中光学系统的像差，达到短距离即可投射出超大画面的效果，多数被应用在激光电视和工程领域等，深受消费者喜爱。然而传统的超短焦光学系统，体积很大，移动不便。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种光学系统及投影设备，旨在改善现有技术中光学系统体积很大，移动不便的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种光学系统，包括沿光线传输方向依次分布的显示单元、第一透镜组、第二透镜组以及反射镜；其中，
所述第一透镜组具有正光焦度；
所述第二透镜组具有负光焦度；
所述第二透镜组与所述反射镜的光焦度总和为正；
所述第一透镜组靠近所述显示单元一侧到所述第二透镜组远离所述显示单元一侧的距离为T0，所述第二透镜组远离所述显示单元一侧到所述反射镜的距离为T，T0/T大于等于0.8，且小于等于1.1。
可选地，所述第一透镜组的光焦度大于等于0.1，且小于等于0.2；
所述第二透镜组的光焦度绝对值大于等于0.01，且小于等于0.03；
所述第二透镜组与所述反射镜的光焦度总和大于等于0.15，且小于等于0.3。
可选地，所述第一透镜组包括沿光线传输方向排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜及第七透镜；
所述第二透镜组包括沿光线传输方向排列的第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜及第十四透镜；
所述第一透镜组与所述第二透镜组之间还设有光阑。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第七透镜、所述第九透镜、所述第十透镜及所述第十二透镜具有正光焦度；
所述第四透镜、所述第六透镜、所述第八透镜、所述第十一透镜、所述第十三透镜及所述第十四透镜具有负光焦度。
可选地，所述第二透镜为双凸玻璃非球面，且光焦度φ2为正，0.05≤|φ2|≤0.09；
所述第十四透镜靠近所述显示单元的一面弯向所述显示单元，远离所述显示单元的一面弯向所述反射镜，且光焦度φ14为正，0.015≤|φ14|≤0.025。
可选地，所述第十四透镜为塑料非球面，且光焦度φ14'为负，0.01≤|φ14'|≤0.05；
所述第十四透镜的外径为D14，D14/T0≥0.2。
可选地，所述第三透镜、所述第四透镜及所述第五透镜为胶合镜片；
所述第六透镜及所述第七透镜为胶合镜片；
所述第十二透镜及所述第十三透镜为胶合镜片。
可选地，所述第一透镜组与所述第二透镜组之间的距离大于等于5.9毫米，且小于等于6.4毫米；
所述第二透镜组与所述反射镜之间的距离大于等于29.25毫米，且小于等于29.75毫米。
可选地，所述显示单元包括DMD芯片，所述DMD芯片相对于光轴偏离放置，且偏离量大于130％；
所述DMD芯片的尺寸大于等于0.23英寸，且小于等于0.33英寸。
此外本发明还提供一种投影设备，所述投影设备包括如上所述的光学系统。
本发明提供的光学系统包括沿光线传输方向依次分布的显示单元、第一透镜组、第二透镜组以及反射镜，其中，所述第一透镜组具有正光焦度，所述第二透镜组具有负光焦度，所述第二透镜组与所述反射镜的光焦度总和为正，所述第一透镜组靠近所述显示单元一侧到所述第二透镜组远离所述显示单元一侧的距离为T0，所述第二透镜组远离所述显示单元一侧到所述反射镜的距离为T，T0/T大于等于0.8，且小于等于1.1。本方案中影像光束从所述显示单元发出，经过所述第一透镜组与所述第二透镜组校正部分场曲和畸变，最后经所述反射镜反射至投影屏幕形成图像，可实现在保持高分辨率的同时，使所述显示单元到所述反射镜的距离小于等于80毫米，投射比0.21，达到所述光学系统超小体积，可便携式移动的效果。
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为本发明提供的光学系统及投影设备的一实施例的结构示意图。
图2为图1中第一透镜组的结构示意图；
图3为图1中第二透镜组的结构示意图；
图4为图1中光学系统及投影设备的MTF曲线示意图；
图5为图1中光学系统及投影设备的场曲与畸变曲线示意图。
附图标号说明：
Figure BDA0002896642050000031
Figure BDA0002896642050000041
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，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态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，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。还有就是，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。
目前市场上的超短焦投影设备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设有多个镜组，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，移动不便。
鉴于此，本发明提供一种光学系统及投影设备，旨在改善现有技术中光学系统的体积较大，移动不便的技术问题。请参阅图1至图5为本发明提供的光学系统及投影设备的一实施例。
请参阅图1至图3，本发明提供的光学系统100包括沿光线传输方向依次分布的显示单元1、第一透镜组2、第二透镜组3以及反射镜4，其中，所述第一透镜组2具有正光焦度，所述第二透镜组3具有负光焦度，所述第二透镜组3与所述反射镜4的光焦度总和为正，所述第一透镜组2靠近所述显示单元1一侧到所述第二透镜组3远离所述显示单元1一侧的距离为T0，所述第二透镜组3远离所述显示单元1一侧到所述反射镜4的距离为T，T0/T大于等于0.8，且小于等于1.1。本方案中影像光束从所述显示单元1发出，经过所述第一透镜组2与所述第二透镜组3校正部分场曲和畸变，最后经所述反射镜4反射至投影屏幕形成图像，可实现在保持高分辨率的同时，使所述显示单元1到所述反射镜4的距离小于等于80毫米，投射比0.21，达到所述光学系统100超小体积，可便携式移动的效果。
可以理解的是，光焦度等于像方光束汇聚度与物方光束汇聚度之差，它表征光学元件偏折光线的能力。光焦度的绝对值越大，对光线的弯折能力越强，光焦度的绝对值越小，对光线的弯折能力越弱。光焦度为正数时，光线的屈折是汇聚性的；光焦度为负数时，光线的屈折是发散性的。光焦度可以适用于表征一个透镜的某一个折射面(即透镜的一个表面)，可以适用于表征某一个透镜，也可以适用于表征多个透镜共同形成的系统(即透镜组)。
进一步地，所述第一透镜组2的光焦度大于等于0.1，且小于等于0.2；所述第二透镜组3的光焦度绝对值大于等于0.01，且小于等于0.03；所述第二透镜组3与所述反射镜4的光焦度总和大于等于0.15，且小于等于0.3。以通过上述的光焦度配合，提高所述光学系统100的分辨率。
更进一步地，请参阅图2与图3，所述第一透镜组2包括沿光线传输方向排列的第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25、第六透镜26及第七透镜27；所述第二透镜组3包括沿光线传输方向排列的第八透镜31、第九透镜32、第十透镜33、第十一透镜34、第十二透镜35、第十三透镜36及第十四透镜37；所述第一透镜组2与所述第二透镜组3之间还设有光阑5。通过所述第一透镜21至所述第十四透镜37多个透镜组合，使光线在传输过程中经过多次折射，达到减小像差的效果。所述光阑5主要用于限制所述光学系统100的光线或视场大小，具体地，所述光阑5用于限制从所述第七透镜27进入所述第八透镜31的光线大小。
具体地，所述第一透镜21、所述第二透镜22、所述第三透镜23、所述第五透镜25、所述第七透镜27、所述第九透镜32、所述第十透镜33及所述第十二透镜35具有正光焦度；所述第四透镜24、所述第六透镜26、所述第八透镜31、所述第十一透镜34、所述第十三透镜36及所述第十四透镜37具有负光焦度。所述第一透镜21至所述第十四透镜37不同的光焦度设置，使所述显示单元1发出的光线在经过第一透镜21至所述第十四透镜37时光线发生多次不同的折射，从而进一步使光线能够在较小像差的情况下传输至所述反射镜4。
进一步地，请参阅图4，所述第二透镜22为双凸玻璃非球面，且光焦度φ2为正，0.05≤|φ2|≤0.09；所述第十四透镜37靠近所述显示单元1的一面弯向所述显示单元1，远离所述显示单元1的一面弯向所述反射镜4，且光焦度φ14为正，0.015≤|φ14|≤0.025。当上述条件满足时，可实现校正不同投射距离下的场曲和畸变，使不同投射距离下的分辨率保持不变，实现40至100寸的投影画面。
进一步地，请参阅图5，所述第十四透镜37为塑料非球面，且光焦度φ14'为负，0.01≤|φ14'|≤0.05；所述第十四透镜37的外径为D14，D14/T0≥0.2。从而可实现在光亮度输出小于1000流明时，光学焦点不发生漂移，达到所述光学系统100在长时间开机使用时画面依然清晰，无需对焦的效果。
进一步地，所述第三透镜23、所述第四透镜24及所述第五透镜25为胶合镜片，所述第六透镜26及所述第七透镜27为胶合镜片，所述第十二透镜35及所述第十三透镜36为胶合镜片，以达到消除色差的目的。可以理解的是，光现穿过透镜后会形成色差，使得成像模糊不清，因此，色差成为了透镜成像的一个严重缺陷。而胶合透镜是将材质不同的多枚透镜胶合在一起，当光线经过所述胶合透镜的其中一枚镜片发生折射后会产生色差，而当折射后的光线继续经过另一枚镜片时，产生的色差恰好相反，并能够与之前出现的色差相互抵消，从而达到消除色差的目的。
进一步地，所述光学系统100的投射范围可为40寸至100寸，所述第二透镜组3移动进行对焦，以调整不同投射距离时画面的解像力。对焦时所述第一透镜组2与所述第二透镜组3之间的距离大于等于5.9毫米，且小于等于6.4毫米；所述第二透镜组3与所述反射镜4之间的距离大于等于29.25毫米，且小于等于29.75毫米，实现高分辨率成像。
进一步地，所述显示单元1包括DMD芯片11，所述DMD芯片11相对于光轴偏离放置，且偏离量大于130％；所述DMD芯片11的尺寸大于等于0.23英寸，且小于等于0.33英寸，在减小体积的同时，提高成像清晰度。具体地，所述显示单元1还包括等效棱镜12，所述等效棱镜12置于所述DMD芯片11与所述第一透镜组2的之间，可减小光线折射传输形成的像差。
在本实施例中，所述等效棱镜12及所述第一透镜21至所述第十四透镜37沿光线传输方向均具有光线入光面与出光面。具体地，等效棱镜入光面S1、等效棱镜出光面S2、第一透镜入光面S3、第一透镜出光面S4、第二透镜入光面S5、第二透镜出光面S6、第三透镜入光面S7、第五透镜出光面S10、第六透镜入光面S11、第七透镜出光面S13、第八透镜入光面S14、第八透镜出光面S15、第九透镜入光面S16、第九透镜出光面S17、第十镜透镜入光面S18、第十透镜出光面S19、第十一透镜入光面S20、第十一透镜出光面S21、第十二透镜入光面S22、第十三透镜出光面S25、第十四透镜入光面S26及第十四透镜出光面S27。其中，所述第三透镜23与所述第四透镜24的胶合面为S8，所述第四透镜24与所述第五透镜25的胶合面为S9，所述第六透镜26与所述第七透镜的27胶合面为S12，所述第十二透镜35与所述第十三透镜36的胶合面为S23。
具体地，在本实施例中，所述光学系统100的参数如下表所示。
表1所述光学系统各个透镜的参数
Figure BDA0002896642050000071
Figure BDA0002896642050000081
其中，所述反射镜4、所述第二透镜22及所述第十四透镜37的非球面表面形状满足以下方程：
Figure BDA0002896642050000082
其中，c为半径所对应的曲率；y为径向坐标(其单位与透镜长度单位相同)；k为圆锥二次曲线系数，当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线，当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数。
在本实施例中，各非球面的偶次项系数如下表所示。
表2反射镜、第二透镜及第十四透镜非球面透镜的各系数
Figure BDA0002896642050000091
其中，E-001表示的是10的-1次方，E-002表示的是10的-2次方……，E-010表示的是10的-10次方，依此类推，E-N表示的是10的-N次方。
以上所述仅为本发明的可选地实施例，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，所述光学系统包括沿光线传输方向依次分布的显示单元、第一透镜组、第二透镜组以及反射镜；其中，
所述第一透镜组具有正光焦度；
所述第二透镜组具有负光焦度；
所述第二透镜组与所述反射镜的光焦度总和为正；
所述第一透镜组靠近所述显示单元一侧到所述第二透镜组远离所述显示单元一侧的距离为T0，所述第二透镜组远离所述显示单元一侧到所述反射镜的距离为T，T0/T大于等于0.8，且小于等于1.1。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜组的光焦度大于等于0.1，且小于等于0.2；
所述第二透镜组的光焦度绝对值大于等于0.01，且小于等于0.03；
所述第二透镜组与所述反射镜的光焦度总和大于等于0.15，且小于等于0.3。
3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜组包括沿光线传输方向排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜及第七透镜；
所述第二透镜组包括沿光线传输方向排列的第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜及第十四透镜；
所述第一透镜组与所述第二透镜组之间还设有光阑。
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、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第七透镜、所述第九透镜、所述第十透镜及所述第十二透镜具有正光焦度；
所述第四透镜、所述第六透镜、所述第八透镜、所述第十一透镜、所述第十三透镜及所述第十四透镜具有负光焦度。
5.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜为双凸玻璃非球面，且光焦度φ2为正，0.05≤|φ2|≤0.09；
所述第十四透镜靠近所述显示单元的一面弯向所述显示单元，远离所述显示单元的一面弯向所述反射镜，且光焦度φ14为正，0.015≤|φ14|≤0.025。
6.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第十四透镜为塑料非球面，且光焦度φ14'为负，0.01≤|φ14'|≤0.05；
所述第十四透镜的外径为D14，D14/T0≥0.2。
7.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第三透镜、所述第四透镜及所述第五透镜为胶合镜片；
所述第六透镜及所述第七透镜为胶合镜片；
所述第十二透镜及所述第十三透镜为胶合镜片。
8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜组与所述第二透镜组之间的距离大于等于5.9毫米，且小于等于6.4毫米；
所述第二透镜组与所述反射镜之间的距离大于等于29.25毫米，且小于等于29.75毫米。
9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述显示单元包括DMD芯片，所述DMD芯片相对于光轴偏离放置，且偏离量大于130％；
所述DMD芯片的尺寸大于等于0.23英寸，且小于等于0.33英寸。
10.一种投影设备，其特征在于，包括如权利要求1至9中任意一项所述的光学系统。
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