CN113589630A - 超短焦投影光学系统及投影设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超短焦投影光学系统，包括沿投射方向依次设置的显示单元、具有正光焦度的第一透镜组、具有正光焦度的第二透镜组、具有负光焦度的第三透镜组以及非球面反射镜，其中，所述第一透镜组包括沿所述投射方向依次设置的第一透镜、第二透镜以及光阑，所述第一透镜为玻璃非球面镜片，所述第二透镜为玻璃球面镜片，且所述第一透镜和所述第二透镜分别自其中心至其周缘呈逐渐朝向所述光阑的方向弯曲。本发明提供的超短焦投影光学系统及投影设备，能够在实现大光圈的要求下，同时兼具有高分辨率的优点。

Description

超短焦投影光学系统及投影设备
技术领域
本发明涉及投影设备技术领域，特别涉及一种超短焦投影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，投影设备已经被广泛应用于家用、教育、办公等领域，其中的超短焦投影机，因以短距离投影大画面，能更好的利用在紧凑型的空间环境而备受青睐。作为超短焦投影机中的核心组件，超短焦投影光学系统价格偏高，为了降低成本，现有的超短焦投影光学系统光圈值普遍在2.5以上，光圈小。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种超短焦投影光学系统及投影设备，旨在解决现有的超短焦投影光学系统光圈小的问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种超短焦投影光学系统，包括沿投射方向依次设置的显示单元、具有正光焦度的第一透镜组、具有正光焦度的第二透镜组、具有负光焦度的第三透镜组以及非球面反射镜；
其中，所述第一透镜组包括沿所述投射方向依次设置的第一透镜、第二透镜以及光阑，所述第一透镜为玻璃非球面镜片，所述第二透镜为玻璃球面镜片，且所述第一透镜和所述第二透镜分别自其中心至其周缘呈逐渐朝向所述光阑的方向弯曲。
可选地，所述第二透镜组和所述第三透镜组均可沿所述投射方向靠近和远离所述显示单元活动设置。
可选地，还包括联动件，所述联动件分别连接所述第二透镜组和所述第三透镜组。
可选地，所述第二透镜组包括第三透镜，所述第三透镜为塑胶非球面镜片。
可选地，设定所述第一透镜组的光焦度为φ1，0.04≤φ1≤0.06；
设定所述第二透镜组的光焦度为φ2，0≤φ2≤0.01；
设定所述第三透镜组的光焦度为φ3，-0.04≤φ3≤0；
设定所述非球面反射镜的光焦度为φ4，0.06≤φ4≤0.09。
可选地，所述第三透镜组包括沿所述投射方向依次设置的第四透镜以及第五透镜，所述第四透镜和所述第五透镜为塑胶非球面镜片。
可选地，所述第四透镜的光焦度大于等于-0.05且小于等于0；
所述第五透镜的光焦度大于等于0且小于等于0.04。
可选地，所述超短焦投影光学系统内形成有光轴；
所述显示单元包括数字微镜器件，所述数字微镜器件的中心与所述光轴的偏移量为C，2.6mm≤C≤3mm。
可选地，所述第一透镜组还包括胶合透镜，所述胶合透镜位于所述第一透镜远离所述第二透镜的一侧，所述胶合透镜包括胶合连接的第六透镜和第七透镜。
本发明还提供一种投影设备，包括上述的超短焦投影光学系统，所述超短焦投影光学系统包括沿投射方向依次设置的显示单元、具有正光焦度的第一透镜组、具有正光焦度的第二透镜组、具有负光焦度的第三透镜组以及非球面反射镜；
其中，所述第一透镜组包括沿所述投射方向依次设置的第一透镜、第二透镜以及光阑，所述第一透镜为玻璃非球面镜片，所述第二透镜为玻璃球面镜片，且所述第一透镜和所述第二透镜分别自其中心至其周缘呈逐渐朝向所述光阑的方向弯曲。
本发明的技术方案中，投影光线经正光焦度的所述第一透镜组、正光焦度的所述第二透镜组以及负光焦度的所述第三透镜组依次透射，同时，玻璃非球面镜片的所述第一透镜与玻璃球面镜片的所述第二透镜搭配，并且所述第一透镜和所述第二透镜分别自其中心至其周缘呈逐渐朝向所述光阑的方向弯曲，有效校正光阑产生的球差和慧差，提升后组光线的高度，在实现大光圈的要求下，同时兼具有高分辨率的优点。
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为本发明提供的超短焦投影光学系统的一实施例的示意图；
图2为图1中超短焦投影光学系统的投射光路示意图；
图3为图1中超短焦投影光学系统的各透镜的镜面示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 超短焦投影光学系统 27 第十二透镜
1 显示单元 3 第二透镜组
11 DMD芯片 31 第三透镜
12 等效棱镜 4 第三透镜组
2 第一透镜组 41 第四透镜
21 第一透镜 42 第五透镜
22 第二透镜 43 第八透镜
23 光阑 44 第九透镜
24 第六透镜 45 第十透镜
25 第七透镜 5 非球面反射镜
26 第十一透镜
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(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示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，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。另外，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。
近年来随着投影技术的发展，投影设备已经被广泛应用于家用、教育、办公等领域，其中的超短焦投影机，因以短距离投影大画面，能更好的利用在紧凑型的空间环境而备受青睐。作为超短焦投影机中的核心组件，超短焦投影光学系统价格偏高，为了降低成本，现有的超短焦投影光学系统光圈值普遍在2.5以上，光圈小。
鉴于此，本发明提供一种超短焦投影光学系统，图1至图3为本发明提供的超短焦投影光学系统一实施例。
请参照图1和图2，超短焦投影光学系统100包括沿投射方向依次设置的显示单元1、具有正光焦度的第一透镜组2、具有正光焦度的第二透镜组3、具有负光焦度的第三透镜组4以及非球面反射镜5，其中，所述第一透镜组2包括沿所述投射方向依次设置的第一透镜21、第二透镜22以及光阑23，所述第一透镜21为玻璃非球面镜片，所述第二透镜22为玻璃球面镜片，且所述第一透镜21和所述第二透镜22分别自其中心至其周缘呈逐渐朝向所述光阑23的方向弯曲。
本发明的技术方案中，投影光线经正光焦度的所述第一透镜组2、正光焦度的所述第二透镜组3以及负光焦度的所述第三透镜组4依次透射，同时，玻璃非球面镜片的所述第一透镜21与玻璃球面镜片的所述第二透镜22搭配，并且所述第一透镜21和所述第二透镜22分别自其中心至其周缘呈逐渐朝向所述光阑23的方向弯曲，有效校正光阑23产生的球差和慧差，提升后组光线的高度，在实现大光圈的要求下，同时兼具有高分辨率的优点。
需强调的是，本发明对所述第一透镜21和所述第二透镜22的具体弯曲程度不做限制，只要能够实现有效校正光阑23产生的球差和慧差即可。具体地，请参照图1，在本实施例中，所述第一透镜21的出光(靠近非球面反射镜5的一侧)面的弯曲程度大于入光(靠近显示单元1的一侧)面的弯曲程度，而所述第二透镜22的入光面的弯曲程度大于出光面的弯曲程度。
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，所述第二透镜组3和所述第三透镜组4均可沿所述投射方向靠近和远离所述显示单元1活动设置，通过所述第二透镜组3和所述第三透镜组4活动实现超短焦投影光学系统100的对焦，有助于提高超短焦投影光学系统100的光学性能。
需要说明的是，本发明不限制所述第二透镜组3和所述第三透镜组4的具体活动方式，可以是所述第二透镜组3和所述第三透镜组4分别独立活动，也可以是所述第二透镜组3和所述第三透镜组4联动设置。具体地，请参照图1，在本实施例中，所述超短焦投影光学系统100还包括联动件(图中未示出)，所述联动件分别连接所述第二透镜组3和所述第三透镜组4，通过所述联动件带动所述第二透镜组3和所述第三透镜组4按照一定的比例关系进行调整位置，从而实现联动对焦，通过联动对焦实现70寸-120寸不同画面的畸变和解像校正。
本发明不限制所述联动件的具体实施方式，可以是丝杆结构或齿轮结构，也可以是其它实现所述第二透镜组3和所述第三透镜组4联动的结构，此处不再一一赘述。
此外，所述第二透镜组3包括第三透镜31，所述第三透镜31为塑胶非球面镜片，所述第三透镜31透镜为塑胶非球面，结合第三透镜组4联动，进一步提高对70寸-120寸不同画面尺寸的畸变和解像进行校正的效果。
进一步，设定所述第一透镜组2的光焦度为φ1，0.04≤φ1≤0.06；设定所述第二透镜组3的光焦度为φ2，0≤φ2≤0.01；设定所述第三透镜组4的光焦度为φ3，-0.04≤φ3≤0；设定所述非球面反射镜5的光焦度为φ4，0.06≤φ4≤0.09。当透镜组按照上述光焦度分配时，可以实现投射比0.2以下，高温不虚焦。同时各透镜组的敏感度大幅降低，便于大批量生产。
并且，所述第三透镜组4包括沿所述投射方向依次设置的第四透镜41以及第五透镜42，所述第四透镜41和所述第五透镜42为塑胶非球面镜片，如此，可有效校正光线入射角度，降低镜头的体积和成本。
进一步地，所述第四透镜41的光焦度大于等于-0.05且小于等于0，所述第五透镜42的光焦度大于等于0且小于等于0.04，如此搭配所述第四透镜41和所述第五透镜42的光焦度，可使镜头在高温状态下能够自动平衡，实现高温不虚焦。
需要说明的是，所述第三透镜组4还包括沿所述投射方向依次设置的第八透镜43、第九透镜44以及第十透镜45，所述第八透镜43、所述第九透镜44以及所述第十透镜45均位于所述第四透镜41和所述第二透镜组3之间，所述第八透镜43、所述第九透镜44以及所述第十透镜45均为玻璃球面镜片，所述第八透镜43和所述第十透镜45的光焦度均大于等于0且小于等于0.04，所述第九透镜44的光焦度大于等于-0.05且小于等于0。
所述超短焦投影光学系统100内形成有光轴，所述显示单元1包括数字微镜器件，所述数字微镜器件的中心与所述光轴的偏移量为C，2.6mm≤C≤3mm。如此，有利于提高成像清晰度。具体地，请参照图1，在本实施例中，所述数字微镜器件为DMD(DigitalMicromirror Device)芯片，DMD芯片11的中心与所述光轴偏离量为2.8mm，DMD芯片11为0.33英寸，其分辨率为1368x768，并能够通过振镜实现1080P。
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之间，可减小光线折射传输形成的像差。
所述第一透镜组2还包括胶合透镜，所述胶合透镜位于所述第一透镜21远离所述第二透镜22的一侧，所述胶合透镜包括胶合连接的第六透镜24和第七透镜25，如此，有助于消除色差。可以理解的是，光线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。
具体地，所述第六透镜24和所述第七透镜25之间的胶合连接通过光学胶水实现，光学胶水的透光率高，有助于提高投射光线的成像效果。
需要说明的是，所述第一透镜组2还包括沿所述投射方向依次设置的第十一透镜26和第十二透镜27，所述第十一透镜26和所述第十二透镜27均位于所述第六透镜24和所述显示单元1之间，所述第十一透镜26和所述第十二透镜27均为玻璃球面镜片，所述第十一透镜26的光焦度和所述第十二透镜27的光焦度均大于等于0且小于等于0.04。
需要说明的是，所述第一透镜21、所述第三透镜31、所述第四透镜41、所述第五透镜42以及非球面反射镜5的非球面表面形状满足方程式：
Figure BDA0003191521590000071
上述方程式中参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，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。
以下案例为F1.8，投射比0.2的超短焦投影光学系统100的实际设计参数，具体请参照表1。
表1超短焦投影光学系统100的各参数
Figure BDA0003191521590000072
Figure BDA0003191521590000081
其中，OBJ为物面，IMA为像面，S26为等效棱镜12的出光面，S27为等效棱镜12的入光面，S1～S25分别为各透镜的镜面，S1～S25的具体指代镜面请参照图3。
此外，S1系数为：
k：-768；
a1：0；
a20.00011485935；
a3：-5.3053334e-007；
a4：2.126744e-009；
a5：-5.4787393e-012；
a6：8.0470803e-015；
a7：-4.9662071e-018。
S2系数为：
k：-565.9319；
a1：0；
a2：-4.6842153e-006；
a3：1.3583932e-008；
a4：2.96366079486753e-012；
a5：2.35668648024052e-015；
a6：-1.7709563837241e-019；
a7：-6.05918030192083e-022。
S3系数为：
k：-565.9319；
a1：0；
a2：-4.6842153e-006；
a3：1.3583932e-008；
a4：2.96366079486753e-012；
a5：2.35668648024052e-015；
a6：-1.7709563837241e-019；
a7：-6.05918030192083e-022。
S4系数为：
k：-0.4040741；
a1：0；
a2：4.90490480030574e-007；
a3：-2.05760498407608e-010；
a4：2.99679825125034e-014；
a5：5.55711304020551e-018；
a6：-2.86845642405709e-021；
a7：2.91053534222281e-025。
S5系数为：
k：90.3686；
a1：0；
a2：3.37355419190151e-008；
a3：-1.68426620586378e-010；
a4：-1.77578855135222e-011；
a5：1.31858269908392e-013；
a6：1.61679421023673e-016；
a7：-3.13849187032395e-018。
S12系数为：
k：-1.3840751；
a1：0；
a2：-2.79361010729748e-008；
a3：-6.6497057344366e-010；
a4：-2.54430577284334e-013；
a5：-1.84664483140541e-015；
a6：6.46082131490784e-017；
a7：-1.54392143969012e-019。
S13系数为：
k：-25.2567；
a1：0；
a2：4.90490480030574e-007；
a3：-3.94843412007971e-010；
a4：3.02112629843759e-013；
a5：1.40840432176276e-015；
a6：6.90569325719901e-019；
a7：-6.52550386131808e-021。
S18系数为：
k：-12.457；
a1：0；
a2：4.904900574e-007；
a3：-2.05760908e-010；
a4：2.99679824e-014；
a5：-7.4255518e-16；
a6：1.3859057e-18；
a7：1.8118184e-23。
S19系数为：
k：-1.4040741；
a1：0；
a2：-5.2362612e-06；
a3：-2.057608e-010；
a4：2.9244063e-09；
a5：5.5046807e-16；
a6：5.5046807e-16；
a7：4.8296771e-18。
本发明通过采用3个塑胶非球面镜片(第三透镜31、第四透镜41以及第五透镜42)，实现投射比0.20以下，同时光圈为1.8，在保证低成本的条件下，同时满足了高分辨率和高亮度的需求；通过合理分配透镜光焦度，使超短焦投影光学系统100在采用了3个塑胶非球面镜片的情况下，能够在高温状态下，使各透镜跑焦量互相平衡，从而实现高温状态不虚焦；通过合理镜片结构布局，使第二透镜组3和第三透镜组4可校正不同投射尺寸下的场曲和畸变，使投射画面在70寸-120寸之间仍能保持高分辨率。
本发明还提供一种投影设备，包括上述的超短焦投影光学系统100，所述投影设备包括上述的超短焦投影光学系统100的全部技术特征，因此，也具有上述全部技术特征带来的技术效果，此处不再一一赘述。
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)

1.一种超短焦投影光学系统，其特征在于，包括沿投射方向依次设置的显示单元、具有正光焦度的第一透镜组、具有正光焦度的第二透镜组、具有负光焦度的第三透镜组以及非球面反射镜；
其中，所述第一透镜组包括沿所述投射方向依次设置的第一透镜、第二透镜以及光阑，所述第一透镜为玻璃非球面镜片，所述第二透镜为玻璃球面镜片，且所述第一透镜和所述第二透镜分别自其中心至其周缘呈逐渐朝向所述光阑的方向弯曲。
2.如权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第二透镜组和所述第三透镜组均可沿所述投射方向靠近和远离所述显示单元活动设置。
3.如权利要求2所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，还包括联动件，所述联动件分别连接所述第二透镜组和所述第三透镜组。
4.如权利要求3所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第二透镜组包括第三透镜，所述第三透镜为塑胶非球面镜片。
5.如权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，设定所述第一透镜组的光焦度为φ1，0.04≤φ1≤0.06；
设定所述第二透镜组的光焦度为φ2，0≤φ2≤0.01；
设定所述第三透镜组的光焦度为φ3，-0.04≤φ3≤0；
设定所述非球面反射镜的光焦度为φ4，0.06≤φ4≤0.09。
6.如权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第三透镜组包括沿所述投射方向依次设置的第四透镜以及第五透镜，所述第四透镜和所述第五透镜为塑胶非球面镜片。
7.如权利要求6所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第四透镜的光焦度大于等于-0.05且小于等于0；
所述第五透镜的光焦度大于等于0且小于等于0.04。
8.如权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述超短焦投影光学系统内形成有光轴；
所述显示单元包括数字微镜器件，所述数字微镜器件的中心与所述光轴的偏移量为C，2.6mm≤C≤3mm。
9.如权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜组还包括胶合透镜，所述胶合透镜位于所述第一透镜远离所述第二透镜的一侧，所述胶合透镜包括胶合连接的第六透镜和第七透镜。
10.一种投影设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的超短焦投影光学系统。
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