CN113419333B - 投影镜组和投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种投影镜组和投影装置。所述投影镜组用于投射光线，所述投影镜组包括：第一镜组和第二镜组，所述第一镜组和所述第二镜组沿光线的传播方向依次设置，所述第一镜组的焦距为正焦距，所述第二镜组的焦距为负焦距，定义所述第一镜组的焦距为f1，所述第二镜组的焦距为f2，则满足：120.0mm<f1<128.0mm，‑47.0mm<f2<‑40.0mm。本发明的技术方案能够在较短的距离内投影出投影画面。

Description

投影镜组和投影装置
技术领域
本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种投影镜组和投影装置。
背景技术
便携式投影设备可以在一定的距离内投射出投影画面，但是目前的便携式投影设备的投射比在1.2左右，投射比是指投影距离与投影画面的水平尺寸之间的比值。由于目前的投影设备的投射比较高，需要较大的投影空间才能完成投影，导致用户难以在较短的投影距离内完成投影。
发明内容
基于此，针对现有投影设备难以在较近的投影距离内完成的问题，有必要提供一种投影镜组和投影装置，旨在能够在较短的距离内投影出投影画面。
为实现上述目的，本发明提出的一种投影镜组，所述投影镜组用于投射光线，所述投影镜组包括：
第一镜组；和
第二镜组，所述第一镜组和所述第二镜组沿光线的传播方向依次设置，所述第一镜组的焦距为正焦距，所述第二镜组的焦距为负焦距，并且在所述第一镜组和第二镜组之间设置有光阑，定义所述第一镜组的焦距为f1，所述第二镜组的焦距为f2，则满足：
120.0mm<f1<128.0mm，-47.0mm<f2<-40.0mm。
可选地，所述第一镜组包括沿光线传播方向依次设置的第一镜片、第二镜片和胶合镜片，所述第一镜片和所述第二镜片为正透镜，所述胶合镜片为负透镜，定义所述第一镜片的焦距为f11，所述第二镜片的焦距为f12，所述胶合镜片的焦距为f3/4，则满足：
13.5mm<f11<16.5mm，12.5mm<f12<16.5mm，-16.5mm<f3/4<-12.5mm。
可选地，所述第一镜片的入光面和出光面均为凸起面，所述第二镜片的入光面和出光面均为凸起面；
所述胶合镜片包括沿光线传播方向依次设置的第三镜片和第四镜片，所述第三镜片的入光面为凸起面，所述第三镜片的出光面为凹陷面，所述第四镜片的入光面和出光面均为凸起面，所述第三镜片的出光面与所述第四镜片的入光面胶合设置。
可选地，所述第一镜片的入光面和出光面至少其中之一为非球面。
可选地，所述第一镜片的材质为玻璃。
可选地，所述第二镜组包括沿光线传播方向依次设置的第五镜片、第六镜片和第七镜片，所述第五镜片为正透镜，所述第六镜片和所述第七镜片为负透镜，定义所述第五镜片的焦距为f25，所述第六镜片的焦距为f26，所述第七镜片的焦距为f27，则满足：
13mm<f25<16mm，-14.5mm<f26<-10.5mm，-15.5mm<f27<-12.5mm。
可选地，所述第五镜片的入光面和出光面为凸起面，所述第六镜片的入光面和出光面为凹陷面，所述第七镜片的入光面为凹陷面，所述第七镜片的出光面为凸起面。
可选地，所述第七镜片的入光面和出光面至少其中之一为非球面。
可选地，所述投影镜组还包括振镜，所述振镜设于所述第一镜组的入射光线的一侧。
可选地，所述投影镜组还包括棱镜，所述棱镜设于所述振镜入射光线的一侧。
此外，为了解决上述问题，本发明还提供一种投影装置，所述投影装置包括图像源和如上文所述投影镜组，所述图像源用于发射光线，所述投影镜组设于所述图像源的发射光线出射方向，所述图像源的出光面设置保护玻璃。
本发明提出的技术方案中，在投影时，光线依次穿过第一镜组和第二镜组，由于第一镜组的焦距是正，且第一镜组的焦距范围在120.0mm至128.0mm在这个焦距范围内，光线经过第一镜组能够会聚光线，使光线在较短的距离内聚焦。进一步地，由于第二镜组的焦距是负，且第二镜组的焦距范围在-47.0mm至-40.0mm范围内，光线经过第二镜组后发散，从而使投影画面的尺寸足够大。由此可知，本发明的技术方案中，通过第一镜组的会聚光线作用和第二镜组的发散光线的作用，在保证投影画面足够大的同时，还能够在较短的投影距离内完成投影。
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为本发明投影镜组一实施例的结构示意图；
图2为本发明投影镜组另一实施例的结构示意图；
图3为本发明投影镜组调制传递函数示意图；
图4为本发明投影镜组的场曲与畸变图；
图5为本发明投影镜组的色差图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
10 第一镜组 220 第六镜片
110 第一镜片 230 第七镜片
120 第二镜片 30 图像源
130 胶合镜片 310 保护玻璃
131 第三镜片 40 棱镜
132 第四镜片 50 光澜
20 第二镜组 60 振镜
210 第五镜片
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。
便携式投影设备由于体积小，便于携带，并且可以空间有限的情况下完成投影画面的投放。目前的便携式投影设备的投射比大于1.0，一般在1.2左右。因此，需要较大的投影空间才能完成投影，在一些狭小的空间内难以完成投影画面的投影。
为了解决上述问题，参阅图1所示，本发明提供一种投影镜组，投影镜组用于投射光线，光线经过投影镜组后，能够在投影面形成投影画面。投影镜组包括：第一镜组10和第二镜组20。第一镜组10和第二镜组20均包括若干镜片，光线经过第一镜组10和第二镜组20后，光线能够经过有效的会聚放大，最终获得清晰成像。
第一镜组10和第二镜组20沿光线的传播方向依次设置，第一镜组10的焦距为正焦距，第二镜组20的焦距为负焦距，在第一镜组10和第二镜组20之间设置光澜50，通过光澜50可以限制视场的大小，或者限制光线穿过的数量。定义第一镜组10的焦距为f1，第二镜组20的焦距为f2，则满足：120.0mm<f1<128.0mm，-47.0mm<f2<-40.0mm。可以理解的是正焦距的第一镜组10能够会聚光线，负焦距的第二镜组20能够发散光线。通过第一镜组10的焦距在120.0mm至128.0mm在这个焦距范围内，保证经过投影镜组的光线可以实现短距离投影会聚成像。第二镜组20的焦距在-47.0mm至-40.0mm范围内，可以保证投影画面的尺寸足够大，进而满足设计要求。光线经过第一镜组10和第二镜组20后能够清晰成像。
本实施例提出的技术方案中，在投影时，光线依次穿过第一镜组10和第二镜组20，由于第一镜组10的焦距是正，且第一镜组10的焦距范围在120.0mm至128.0mm在这个焦距范围内，光线经过第一镜组10能够会聚光线，使光线在较短的距离内聚焦。进一步地，由于第二镜组20的焦距是负，且第二镜组20的焦距范围在-47.0mm至-40.0mm范围内，光线经过第二镜组20后发散，从而使投影画面的尺寸足够大。由此可知，本发明的技术方案中，通过第一镜组10的会聚光线作用和第二镜组20的发散光线的作用，在保证投影画面足够大的同时，还能够在较短的投影距离内完成投影。
本实施例中投影镜组的投射比在1.0以下，例如投影镜组的投射比为0.7，在投影854*480的投影画面的情况下，只需要0.7米的投影距离就可以完成投影。
在上述实施例中，为了进一步的保证第一镜组10能够发挥作用会聚光线的作用，第一镜组10包括沿光线传播方向依次设置的第一镜片110、第二镜片120和胶合镜片130，第一镜片110和第二镜片120为正透镜，胶合镜片130为负透镜，定义第一镜片110的焦距为f11，第二镜片120的焦距为f12，胶合镜片130的焦距为f3/4，则满足：13.5mm<f11<16.5mm，12.5mm<f12<16.5mm，-16.5mm<f3/4<-12.5mm。
本实施例中列举了第一镜片110、第二镜片120和胶合镜片130的焦距范围，光线依次经过第一镜片110和第二镜片120后会聚。此外，为了保证投影画面的尺寸足够大，将胶合镜片130设置为负透镜，光线经过胶合镜片130后光线发散。并且为了保证投影镜组的体积较小，设置胶合镜片130能够有效的缩短光路的整体的体积。第一镜片110的焦距如果小于13.5mm，会导致光线会聚的距离太短，投影镜组距离投影面太近，导致光线难以形成较大画面尺寸的投影画面。如果第一镜片110的焦距大于16.5mm，会导致光线会聚的距离较长，投影镜组距离投影面较远，难以在有限的空间内形成投影画面。为此，第一镜片110的焦距设置在13.5mm至16.5mm之间。同样地，第二镜片120的焦距如果小于12.5mm，会导致光线会聚的距离太短，投影镜组距离投影面太近，导致光线难以形成较大画面尺寸的投影画面。如果第二镜片120的焦距大于16.5mm，会导致光线会聚的距离较长，投影镜组距离投影面较远，难以在有限的空间内形成投影画面。为此，第二镜片120的焦距设置在12.5mm至16.5mm之间。另外，为了避免胶合镜片130导致的光线过于发散，胶合镜片130的焦距大于-16.5mm。并且为了保证投影画面的尺寸满足要求，胶合镜片130的焦距小于-12.5mm。
在上述实施例中，为了进一步保证第一镜组10的会聚光线实现短距离投影的效果。第一镜片110的入光面和出光面均为凸起面，第二镜片120的入光面和出光面均为凸起面；胶合镜片130包括沿光线传播方向依次设置的第三镜片131和第四镜片132，第三镜片131的入光面为凸起面，第三镜片131的出光面为凹陷面，第四镜片132的入光面和出光面均为凸起面，第三镜片131的出光面与第四镜片132的入光面胶合设置。可以理解的是，第一镜片110和第二镜片120均为双凸透镜，通过双凸透镜的设置能够使光线产生大角度的偏折，进而缩短光线的聚焦位置。此外，为了使胶合镜片130的有效胶合一起，第三镜片131的凹陷面和第四镜片132的凸起面胶合。
在其中一个实施例中，光线在经过第一镜组10和第二镜组20时光线容易产生像差，为了减少像差的产生，第一镜片110的入光面和出光面至少其中之一为非球面。通过非球面的设计，能够使距离光轴附近的光线和在镜片边缘的光线在同一个表面成像，进而减少像差。此外，需要指出的是，非球面的设计可以通过一个光学面或者是两个光学面完成减少像差的作用。避免使用透镜来减少像差，从而可以缩小投影镜组的整体体积。
在其中一个实施例中，第一镜片110靠近发射光线的图像源30，图像源30在工作时，会产生热量，热量会影响第一镜片110的光学参数，尤其是塑料材质的第一镜片110。热量对光学参数的影响，例如焦距的变化，会导致成像质量变差。为了能够减少热量对第一镜片110的影响，第一镜片110的材质为玻璃。
在其中一个实施例中，第二镜组20包括沿光线传播方向依次设置的第五镜片210、第六镜片220和第七镜片230，第五镜片210为正透镜，第六镜片220和第七镜片230为负透镜，定义第五镜片210的焦距为f25，第六镜片220的焦距为f26，第七镜片230的焦距为f27，则满足：13mm<f25<16mm，-14.5mm<f26<-10.5mm，-15.5mm<f27<-12.5mm。
本实施例中，为了使第二镜组20能够有效的发散光线，保证投影画面的尺寸足够大。需要指出的是为了避免光线过于发散，第六镜片220的焦距大于-14.5mm。并且为了保证投影画面的尺寸满足要求，第六镜片220的焦距小于-10.5mm。同样地，避免光线过于发散，第七镜片230的焦距大于-15.5mm。并且为了保证投影画面的尺寸满足要求，第七镜片230的焦距小于-12.5mm。此外，需要指出的是，为了使光线能够实现短距离聚焦，第五镜片210的焦距为正，并且第五镜片210的焦距如果小于13mm，会导致光线会聚的距离太短，投影镜组距离投影面太近，导致光线难以形成较大画面尺寸的投影画面。如果第五镜片210的焦距大于16mm，会导致光线会聚的距离较长，投影镜组距离投影面较远，难以在有限的空间内形成投影画面。
在上述实施例中，为了进一步保证第二镜组20有效发散，第六镜片220的入光面和出光面为凹陷面，第五镜片210的入光面和出光面为凸起面。可以理解的是，第六镜片220为双凹透镜，双凹透镜能够有效发散。另外，第五镜片210为双凸透镜，从而使光线有效的短距会聚成像。
在其中一个实施例中，光线在经过第二镜组20时，光线在光轴附近的成像位置和在第二镜组20边缘附近的成像位置会出现差异，即会出现像差。为了减少像差，第七镜片230的入光面和出光面至少其中之一为非球面。通过非球面的设计，能够使距离光轴附近的光线和在镜片边缘的光线在同一个表面成像，进而减少像差。此外，需要指出的是，非球面的设计可以通过一个光学面或者是两个光学面完成减少像差的作用。避免使用透镜来减少像差，从而可以缩小投影镜组的整体体积。
如图2所示，在本申请的另一个实施例中，投影镜组还包括振镜60，振镜60设于第一镜组10的入射光线的一侧。振镜60通过高速振动可以提高成像分辨率，通过控制振镜60的工作，可以实现投影镜组的高低分辨率的切换。
在其中一个实施例中，投影镜组还包括棱镜40，棱镜40设于振镜入射光线的一侧。棱镜40可以实现光路的偏折，在保证光程不变的情况下，可以缩短光路，进而使投影镜组的整体体积更小，如此，也便于用户携带。在第一镜组10和第二镜组20之间设置光澜50。
基于上述实施例，本申请列举投影镜组的具体实施例，其中第七镜片230采用塑料材料(nd＝1.531，vd＝55.9)所制成具有负光焦度弯月型透镜，都朝向孔径光阑方向，且两个表面都为非球面。第六镜片220采用玻璃材料(nd＝1.497，vd＝81.595)所制成具有负光焦度双凹型透镜，两个表面均为球面。第五镜片210采用玻璃材料(nd＝1.74，vd＝26.8)所制成具有正光焦度双凸型形透镜，两个表面均为球面。第四镜片132采用玻璃材料(nd＝1.52，vd＝81.3)所制成具有正光焦度双凸型透镜，两个面均朝向孔径光阑，且两个表面均为球面。第三镜片131采用玻璃材料(nd＝1.86，vd＝28.7)所制成具有负光焦度弯月型透镜，两个表面均背向孔径光阑且均为球面。第四镜片132和第三镜片131组合为双胶合透镜。第二镜片120采用玻璃材料(nd＝1.52，vd＝81.3)所制成具有正光焦度的双凸型透镜，两个表面均为球面。第一镜片110采用玻璃材料(nd＝1.5，vd＝82.1)所制成具有正光焦度的双凸型透镜，两个表面均为非球面。如下表一列出了投影镜组的具体参数。
表一
Figure BDA0003127661670000081
Figure BDA0003127661670000091
其中有四个表面为非球面，第七镜片230表面S1、表面S2和第一镜片110的表面S13、表面S14，由非球面公式才能得出球面相对应的曲线；如下公式：
Figure BDA0003127661670000092
其中：Z表示非球面上的点离非球面顶点在光轴方向的距离；r表示非表面上的点到光轴的距离；c表示非球面的中心曲率；k表示圆锥率；a4、a6、a8、a10表示非球面高次项系数。
图3为本发明投影镜组调制传递函数示意图，即MTF(Modulation TransferFunction)图，MTF值用于表示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；该投影镜组的调制传递函数在各个视场都大于0.5，分辨率表现良好。
图4为本发明投影镜组的场曲与畸变图，其中，场曲是指像场弯曲，主要用于表示投影镜组中，整个光束的交点与理想像点的不重合程度。畸变是指物体通过光学组件成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。由图4可见场曲小于0.05毫米，畸变小于1％。
图5为本发明投影镜组的色差图，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。由图5可见最大色散小于3.0微米。
第七镜片230、第一镜片110各阶系数如表二所示。
表二
Figure BDA0003127661670000101
本发明还提供一种投影装置，投影装置包括图像源30和上述投影镜组，图像源30用于发射光线，投影镜组设于图像源30的发射光线出射方向，图像源30的出光面设置保护玻璃310。保护玻璃310可以保护好图像源30，避免图像源30收到外力破坏。图像源30的显示器件包括LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示器，或者是LED(LightEmitting Diode)发光二极管，OLED(Organic Light-Emitting Diode)有机发光二极管，LCOS(LiquidCrystal on Silicon)反射式投影仪，或者DMD(Digital Micromirror Device)数字微镜芯片。
以上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 (11)

1.一种投影镜组，其特征在于，所述投影镜组用于投射光线，所述投影镜组包括：
第一镜组；和
第二镜组，所述第一镜组和所述第二镜组沿光线的传播方向依次设置，所述第一镜组的焦距为正焦距，所述第一镜组包括沿光线传播方向依次设置的第一镜片、第二镜片和胶合镜片，所述第二镜组的焦距为负焦距，所述第二镜组包括沿光线传播方向依次设置的第五镜片、第六镜片和第七镜片，并且在所述第一镜组和第二镜组之间设置有光阑，定义所述第一镜组的焦距为f1，所述第二镜组的焦距为f2，则满足：
120.0mm<f1<128.0mm，-47.0mm<f2<-40.0mm。
2.如权利要求1所述的投影镜组，其特征在于，所述第一镜片和所述第二镜片为正透镜，所述胶合镜片为负透镜，定义所述第一镜片的焦距为f11，所述第二镜片的焦距为f12，所述胶合镜片的焦距为f3/4，则满足：
13.5mm<f11<16.5mm，12.5mm<f12<16.5mm，-16.5mm<f3/4<-12.5mm。
3.如权利要求2所述的投影镜组，其特征在于，所述第一镜片的入光面和出光面均为凸起面，所述第二镜片的入光面和出光面均为凸起面；
所述胶合镜片包括沿光线传播方向依次设置的第三镜片和第四镜片，所述第三镜片的入光面为凸起面，所述第三镜片的出光面为凹陷面，所述第四镜片的入光面和出光面均为凸起面，所述第三镜片的出光面与所述第四镜片的入光面胶合设置。
4.如权利要求2所述的投影镜组，其特征在于，所述第一镜片的入光面和出光面至少其中之一为非球面。
5.如权利要求2所述的投影镜组，其特征在于，所述第一镜片的材质为玻璃。
6.如权利要求1至5中任一项所述的投影镜组，其特征在于，所述第五镜片为正透镜，所述第六镜片和所述第七镜片为负透镜，定义所述第五镜片的焦距为f25，所述第六镜片的焦距为f26，所述第七镜片的焦距为f27，则满足：
13mm<f25<16mm，-14.5mm<f26<-10.5mm，-15.5mm<f27<-12.5mm。
7.如权利要求6所述的投影镜组，其特征在于，所述第五镜片的入光面和出光面为凸起面，所述第六镜片的入光面和出光面为凹陷面，所述第七镜片的入光面为凹陷面，所述第七镜片的出光面为凸起面。
8.如权利要求6所述的投影镜组，其特征在于，所述第七镜片的入光面和出光面至少其中之一为非球面。
9.如权利要求6所述的投影镜组，其特征在于，所述投影镜组还包括振镜，所述振镜设于所述第一镜组的入射光线的一侧。
10.如权利要求9所述的投影镜组，其特征在于，所述投影镜组还包括棱镜，所述棱镜设于所述振镜入射光线的一侧。
11.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括图像源和如权利要求1至10中任一项所述投影镜组，所述图像源用于发射光线，所述投影镜组设于所述图像源的发射光线出射方向，所述图像源的出光面设置保护玻璃。
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