CN113933918B - 一种凸透镜和投影装置 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供一种凸透镜和投影装置，涉及显示技术领域。凸透镜包括入光面和出光面，入光面呈平面，出光面包括第一曲面和第二曲面，第一曲面自入光面朝向远离入光面的方向凸出，第二曲面与第一曲面相交，第二曲面位于第一曲面的中心，第二曲面自第一曲面朝向入光面的方向凹陷。本公开实施例的技术方案，可以将位于凸透镜中间位置的光线向边缘发散，降低凸透镜中间位置的亮度，提高边缘部的亮度，当该凸透镜应用于投影装置中时，可以改善投影画面的均一性。

Description

一种凸透镜和投影装置

技术领域

本公开涉及显示技术领域，尤其涉及一种凸透镜和投影装置。

背景技术

发光二极管(LED)光源具有发光效率高(105lm/W～150lm/W)、体积小、重量轻等优点，非常适合用于单液晶显示面板(LCD)投影装置。但是，光源存在发散角大的缺点，需要使用光杯或平凸透镜进行光线收束，以便达到较高的光能利用率。例如，可以采用常见的汽车大灯光杯或透镜来对光线进行收束。一般透镜的光效较光杯高，且耐高温耐氧化，因此，采用透镜在单LCD投影装置中进行光线收束成为主流。

在单LCD投影装置中，采用现有技术中的平凸透镜可以达到较好的收束效果，光效可以达到2.81％。但是，投影画面存在中间亮边缘暗的问题，投影画面均一性差。

现有技术中通过“加载”中间暗周边亮的画面来降低中间亮度，达到客户需求的均一性，但该种方式大大牺牲了光效。现有技术还可以通过复杂的光路元件或补偿技术(例如贴反射片、离轴光路设计等)来提升投影画面均一性，但这种方式技术复杂、成本高。因此，亟待提出一种技术方案，来提升投影画面均一性。

发明内容

本公开实施例提供一种凸透镜和投影装置，以解决或缓解现有技术中的一项或更多项技术问题。

作为本公开实施例的第一个方面，本公开实施例提供一种凸透镜，包括入光面和出光面，入光面呈平面，出光面包括第一曲面和第二曲面，第一曲面自入光面朝向远离入光面的方向凸出，第二曲面与第一曲面相交，第二曲面位于第一曲面的中心，第二曲面自第一曲面朝向入光面的方向凹陷。

在一些可能的实现方式中，入光面具有相互垂直的第一对称轴和第二对称轴，入光面在第一对称轴上的尺寸大于在第二对称轴上的尺寸，第二曲面在第一方向截面上的曲线朝向入光面方向凹陷，第二曲面在第二方向截面上的曲线朝向远离入光面的方向凸出，其中，第一方向截面为与第一对称轴平行且与入光面垂直的截面，第二方向截面为与第二对称轴平行且与入光面垂直的截面。

在一些可能的实现方式中，第二曲面在第一方向中心截面上的曲线为第一曲线，第二曲面在第二方向中心截面上的曲线为第二曲线，第一曲线为相对于第二方向中心截面对称的弧形曲线，第二曲线为相对于第一方向中心截面对称的弧形曲线，其中，第一方向中心截面为经过第一对称轴且与入光面垂直的截面，第二方向中心截面为经过第二对称轴且与入光面垂直的截面。

在一些可能的实现方式中，凸透镜满足以下至少之一：

第一曲线为圆弧曲线，第一曲线所在的圆弧的中心位于出光面的背离入光面的一侧，第一曲线所在的圆弧的中心与入光面之间的距离的范围为21.6至32.4，第一曲线所在圆弧的半径为R1，R1的取值范围为9.6至14.4；

第二曲线为圆弧曲线，第二曲线所在的圆弧的中心位于入光面的背离出光面的一侧，第二曲线所在的圆弧的半径为R2，R2的取值范围为16至24。

在一些可能的实现方式中，入光面具有相互垂直的第一对称轴和第二对称轴，第一曲面在第一方向中心截面上的曲线为第三曲线，第一曲面在第二方向中心截面上的曲线为第四曲线，入光面的边缘形成第五曲线，第一曲面为由第三曲线、第四曲线和第五曲线拟合而成的非球面曲面，其中，第一方向中心截面为经过第一对称轴且与入光面垂直的截面，第二方向中心截面为经过第二对称轴且与入光面垂直的截面。

在一些可能的实现方式中，第三曲线满足以下关系式：

z1＝A1*x⁴+B1*x²+C，-D1≤x≤D1，

其中，z1为第三曲线上各点与入光面的距离，A1为第一四次项系数，B1为第一二次项系数，C为第一节距，D1为x的绝对值的最大值。

在一些可能的实现方式中，

第一四次项系数A1满足-0.000084≤A1≤-0.000076；和/或，

第一二次项系数B1满足-0.01428≤B1≤-0.01292；和/或，

第一节距C满足13≤C1≤23；和/或，

x的绝对值的最大值D1满足18≤D1≤23。

在一些可能的实现方式中，第四曲线满足以下关系式：

z2＝A2*y⁴+B2*y²+C，-D2≤y≤D2，

其中，z2为第四曲线上各点与入光面的距离，A2为第二四次项系数，B2为第二二次项系数，C为第一节距，D2为y的绝对值的最大值。

在一些可能的实现方式中，

第二四次项系数A2满足-0.000168≤A2≤-0.000152；和/或，

第二二次项系数B2满足-0.03675≤B2≤-0.03325；和/或，

第一节距C满足13≤C≤23；和/或，

y的绝对值的最大值D2满足16≤D2≤20。

在一些可能的实现方式中，第五曲线包括依次平滑闭合连接的第一线段、第一弧线段、第二线段和第二弧线段，第一线段和第二线段相对设置在第一对称轴的两侧，第一弧线段和第二弧线段相对设置在第二对称轴的两侧，第一弧线段包括依次平滑连接在第一线段和第二线段之间的第一子弧线段、中间弧线段和第二子弧线段，第一子弧线段和第二子弧线段的半径均为R3，中间弧线段的半径为R4，中间弧线段所在圆弧的中心位于第一对称轴和第二对称轴的交点，

其中，R3的取值范围为9.6至14.4，和/或，R4的取值范围为19.2至28.8。

在一些可能的实现方式中，凸透镜还包括平坦部分，平坦部分位于入光面的背离出光面的一侧，入光面位于平坦部分的朝向入光面一侧的表面上，入光面的边缘与平坦部分的边缘之间设置有预设距离。

在一些可能的实现方式中，平坦部分在垂直于入光面方向上的尺寸的范围为1mm至2mm。

作为本公开实施例的第二方面，本公开实施例提供一种投影装置，包括本公开任一实施例中的凸透镜。

本公开实施例的技术方案，在第一曲面的中心设置第二曲面，且第二曲面自第一曲面朝向入光面的方向凹陷，第二曲面为凹面，可以起到发散光线的作用，从而，第二曲面可以将位于凸透镜中间位置的光线向边缘发散，降低凸透镜中间位置的亮度，提高边缘部的亮度。

将本公开实施例中的凸透镜应用于投影装置中，自凸透镜出射的光线中间位置亮度降低，边缘位置亮度提高，从而，当画面通过投影镜头进行投影后，可以减轻投影镜头的“渐晕”现象造成的影响，改善投影画面的均一性。

上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本公开进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本公开范围的限制。

图1为一种投影装置的结构示意图；

图2为一种平凸透镜的结构示意图；

图3为一种投影装置的光路模拟示意图；

图4为本公开一实施例中凸透镜的结构示意图；

图5为本公开一实施例中入光面的平面示意图；

图6a为本公开一实施例凸透镜的出光面在第一方向中心截面上的示意图；

图6b为本公开一实施例凸透镜的出光面在第二方向中心截面上的示意图；

图7a为本公开一实施例凸透镜中第一曲面在第一方向中心截面上的示意图；

图7b为本公开一实施例凸透镜中第一曲面在第二方向中心截面上的示意图；

图8为本公开一实施例中投影装置的结构示意图；

图9a为图1所示投影装置投影幕布光效示意图；

图9b为本公开实施例投影装置投影幕布光效示意图；

图10a为图1所示投影装置在投影幕布上的照度分布图；

图10b为本公开实施例投影装置在投影幕布上的照度分布图。

附图标记说明：

11、光源；12、平凸透镜；121、外凸面；13、第一菲尼尔透镜；14、液晶显示面板；15、第二菲涅尔透镜；16、反射镜；17、隔热玻璃；18、投影镜头；19、散热器；20、凸透镜；21、入光面；22、出光面；221、第一曲面；222、第二曲面；31、第一对称轴；32、第二对称轴；23、平坦部分；41、第一曲线；42、第二曲线；43、第三曲线；44、第四曲线；45、第五曲线；451、第一线段；452、第一弧线段；452a、第一子弧线段；452b、中间弧线段；452c、第二子弧线段；453、第二线段；454、第二弧线段。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

图1为一种投影装置的结构示意图。如图1所示，投影装置包括壳体、位于壳体内的光源11、平凸透镜12、第一菲涅尔透镜13、液晶显示面板14、第二菲涅尔透镜15、反射镜16，还包括隔热玻璃17和位于壳体上的投影镜头18。其中，在光源11的光路上依次设置平凸透镜12、第一菲涅尔透镜13、液晶显示面板14和第二菲涅尔透镜15，隔热玻璃17位于第一菲涅尔透镜13和液晶显示面板14之间，反射镜16位于第二菲涅尔透镜15背离液晶显示面板14的一侧，反射镜16倾斜设置以将自第二菲涅尔透镜15入射的光线反射至投影镜头18进行投影显示。投影装置还包括散热器19，散热器19用于为光源11进行散热。

图2为一种平凸透镜的结构示意图。示例性地，光源11可以为LED光源，LED光源可以为COB面光源。LED光源的发光角约为160°，为朗伯光源，发散角较大，可以采用如图2所示的平凸透镜12进行光线收束。图2所示的平凸透镜的外凸面121对收束有关键作用，可以决定特定光线的折射平面法线，进而影响折射光的方向。

图3为一种投影装置的光路模拟示意图。在投影装置中采用图2所示平凸透镜时，投影画面存在中间亮边缘暗的问题，投影画面均一性差，均一值只能达到50％。主要原因之一为第一菲涅尔透镜13上光斑的均一性差。如图3所示，光源11发出的光线经过平凸透镜12后照射在第一菲涅尔透镜13上，第一菲涅尔透镜13将入射的光线变为准直光线并透过液晶显示面板(图中未示出液晶显示面板)成像。当第一菲涅尔透镜13上光线均一性较差时，通过液晶显示面板所成的图像画面均一性也较差，因此，需要调整第一菲涅尔透镜13上光斑的均一性，以提高投影画面的均一性。

本领域技术人员可以理解，投影镜头会产生渐晕。透镜具有孔径光阑，大角度的光束在通过孔径光阑时，总有一部分光线被孔径光阑遮蔽，导致亮度降低，这种现象称为“渐晕”。即使提高了第一菲涅尔透镜的光斑均一性，由于渐晕现象，投影画面仍旧会出现中间亮边缘暗的问题。

因此，相关技术中，平凸透镜和投影镜头的渐晕现象是导致投影画面出现中间亮边缘暗的问题的主要原因。为了保证投影画面均一性，需要设置一种技术方案，来降低投影画面的中间亮度，增加投影画面的边缘亮度，使得投影画面中间亮度和边缘亮度均匀。

图4为本公开一实施例中凸透镜的结构示意图。本公开实施例提供一种凸透镜，如图4所示，凸透镜20包括入光面和出光面22，入光面21呈平面，出光面22包括第一曲面221和第二曲面222。第一曲面221自入光面朝向远离入光面的方向凸出，第二曲面222与第一曲面221相交，第二曲面222位于第一曲面221的中心，第二曲面222自第一曲面221朝向入光面的方向凹陷。需要说明的是，图4中，入光面为出光面22在第一平面21’上的投影区域所围设的面，由于入光面在图4中不可见，因此，未示出入光面，只示出了入光面所在的第一平面21’。

本公开实施例中的凸透镜，出光面22包括第一曲面221和第二曲面222。第一曲面221自入光面朝向远离入光面的方向凸出，第二曲面222与第一曲面221相交，第二曲面222位于第一曲面221的中心，第二曲面222自第一曲面221朝向入光面21的方向凹陷。第一曲面221对入射至凸透镜中的光线具有汇聚作用，使得位于凸透镜中间位置的亮度较高，位于边缘部的亮度较低。在第一曲面221的中心设置第二曲面222，且第二曲面222自第一曲面221朝向入光面21的方向凹陷，第二曲面222为凹面，可以起到发散光线的作用，从而，第二曲面222可以将位于凸透镜中间位置的光线向边缘发散，降低凸透镜中间位置的亮度，提高边缘部的亮度，有利于提高画面均一性。

将本公开实施例中的凸透镜应用于图1所示的投影装置中，相较于相关技术中(如图2所示)的平凸透镜，自凸透镜出射的光线中间位置亮度降低，边缘位置亮度提高，使得通过液晶显示面板生成的画面中间位置亮度降低，边缘位置亮度提高，当画面通过投影镜头进行投影后，可以减轻投影镜头的“渐晕”现象造成的影响，改善投影画面的均一性。

如图4所示，在这里不对第一曲面的具体形状和第二曲面的具体形状进行限定，只要第一曲面221自入光面21朝向远离入光面21的方向凸出并可以汇聚光线；第二曲面222自第一曲面221朝向入光面21的方向凹陷并可以发散光线，均可以实现本公开实施例凸透镜的技术效果。

图5为本公开一实施例中入光面的平面示意图。在一种实施方式中，如图5所示，入光面21为对称平面，入光面具有相互垂直的第一对称轴31和第二对称轴32。入光面21在第一对称轴31上的尺寸为d1，入光面21在第二对称轴32上的尺寸为d2，d1大于d2。这种结构的凸透镜，在光线由入光面21入射并从出光面22出射后，形成的出射光区域在第一对称轴方向上的尺寸也会大于在第二对称轴方向上的尺寸。本领域技术人员可以理解，液晶显示面板的显示区域通常为长方形区域，从而，本公开实施例凸透镜形成的出射光区域结构与液晶显示面板的显示区域结构相匹配，有利于提高光效。

在一种实施方式中，如图4和图5所示，第二曲面222在第一方向截面上的曲线朝向入光面21的方向凹陷，第二曲面222在第二方向截面上的曲线朝向远离入光面21的方向凸出。其中，第一方向截面为与第一对称轴31平行且与入光面21垂直的截面，第二方向截面为与第二对称轴32平行且与入光面21垂直的截面。

需要说明的是，第一方向截面与第一对称轴31平行且与入光面21垂直，第一方向截面可以有很多个，第二曲面222在各第一方向截面上的曲线均朝向入光面21的方向凹陷；第二方向截面与第二对称轴32平行且与入光面21垂直，第二方向截面可以有很多个，第二曲面222在各第二方向截面上的曲线均朝向远离入光面21的方向凸出。

基于照明光学的普通透镜，第一曲面221形成的光斑中心亮度太高，边缘亮度偏低，因此，将第二曲面222在第一方向截面上的曲线设置为朝向入光面21的方向凹陷，可以对中心光线进行发散，降低光斑中心亮度，从而提高边缘亮度。

如图4和图5所示，凸透镜在第二对称轴32方向上的尺寸较小，将第二曲面222在第二方向截面上的曲线设置为朝向远离入光面21的方向凸出，可以避免凸透镜的边缘被削减太多，避免凸透镜对大角度光线的收束作用变差，保证光线的准直效果，防止凸透镜在第二对称轴方向上的光斑扩散出显示面板的显示区域，提高光效。

需要说明的是，虽然第二曲面222在第二方向截面上的曲线朝向远离入光面21的方向凸出，但是，第二曲面222整体是相对于第一曲面221朝向入光面21的方向凹陷的。

如图4所示，出光面22具有相互垂直的第一对称面和第二对称面，出光面22相对于第一对称面对称，出光面22相对于第二对称面对称。第一对称面为经过第一对称轴31且与入光面21相垂直的平面，第二对称面为经过第二对称轴32且与入光面21相垂直的平面。从而，出光面22出射的光斑也相对于第一对称面对称，并相对于第二对称面对称，这样就与显示面板的显示区域相适配，有利于提高光效和显示效果。

图6a为本公开一实施例凸透镜的出光面在第一方向中心截面上的示意图，图6b为本公开一实施例凸透镜的出光面在第二方向中心截面上的示意图。在一种实施方式中，如图6a所示，第二曲面222在第一方向中心截面上的曲线为第一曲线41，第一曲线41为相对于第二方向中心截面对称的弧形曲线。如图6b所示，第二曲面222在第二方向中心截面上的曲线为第二曲线42，第二曲线42为相对于第一方向中心截面对称的弧形曲线。从而，构造出的第二曲面相对于第一方向中心截面对称，且相对于第二方向中心截面对称，使得出光面22出射形成的光斑为对称光斑，对称光斑入射至显示面板，有利于提高光效和显示效果。需要说明的是，第一方向中心截面为经过第一对称轴31且与入光面21相垂直的截面，第二方向中心截面为经过第二对称轴32且与入光面21相垂直的截面。

示例性地，如图6a和图6b所示，第一曲线41可以为圆弧曲线，第二曲线42可以为圆弧曲线，从而，有利于第二曲面222的制造成形，降低凸透镜的成本。需要说明的是，第一曲线41为圆弧曲线，也就是说，第一曲线41为圆弧的一部分；第二曲线42为圆弧曲线，也就是说，第二曲线42为圆弧的一部分。

在其它实施例中，第一曲线41和第二曲线42并不限于圆弧曲线，第一曲线41或第二曲线42可以为其它标准弧形曲线，例如，第一曲线41为椭圆曲线的一部分，第二曲线42为椭圆曲线的一部分。第一曲线41还可以为抛物线的一部分，第二曲线42还可以为抛物线的一部分。

示例性地，在三维模拟软件中，建立第一曲线41和第二曲线42后，可以以第一曲线41为扫描轨迹，第二曲线42沿第一曲线41扫描后与第一曲面的相交部分构成第二曲面的3D外形；或者，可以以第二曲线42为扫描轨迹，第一曲线41沿第二曲线42扫描后与第一曲面的相交部分构成第二曲面的3D外形。

在一种实施方式中，如图6a所示，第一曲线41所在的圆弧的中心位于经过第一对称轴31和第二对称轴32的交点且与入光面21相垂直的直线L1上，即第一曲线41所在圆弧的中心位于入光面21的中心法线上。并且，第一曲线41所在的圆弧的中心位于出光面22的背离入光面21的一侧(即图6a中出光面22的上侧)。第一曲线41所在的圆弧的中心与入光面21之间的距离为d3，d3的取值范围为21.6至32.4(包括端点值)，即d3可以为21.6至32.4中的任意数值，例如d3可以为21.6、27、29、32.4中的一个。第一曲线41所在的圆弧的半径为R1，R1的取值范围为9.6至14.4(包括端点值)，即R1可以为9.6至14.4中的任意数值，例如R1可以为9.6、12、14.4中的一个。

在一种实施方式中，如图6b所示，第二曲线42所在的圆弧的中心位于经过第一对称轴31和第二对称轴32的交点且与入光面21相垂直的直线上，即第二曲线42所在圆弧的中心位于入光面21的中心法线上。并且，第二曲线42所在的圆弧的中心位于入光面21的背离出光面22的一侧(即图6b中入光面21的下侧)。第二曲线42所在的圆弧的半径为R2，R2的取值范围为16至24(包括端点值)，即R2可以为16至24中的任意数值，例如R2可以为16、20、22、24中的一个。

需要说明的是，第二曲面222与入光面21的中心法线的交点即为第一曲线41的中心点，第二曲面222与入光面21的中心法线的交点也为第二曲线42的中心点，第一曲线41的中心点可以确定，那么，在确定第二曲线42所在的圆弧的半径R2后，便可以确定第二曲线42所在圆弧的中心。

图7a为本公开一实施例凸透镜中第一曲面在第一方向中心截面上的示意图，图7b为本公开一实施例凸透镜中第一曲面在第二方向中心截面上的示意图。如图7a和图7b所示，第一曲面221在第一方向中心截面310上的曲线为第三曲线43，第一曲面在第二方向中心截面320上的曲线为第四曲线44。如图5所示，入光面21的边缘形成第五曲线45。第一曲面为由第三曲线43、第四曲线44和第五曲线45拟合而成的非球面曲面。示例性地，第一曲面221可以为UV曲面，也就是说，在三维设计软件中，确定第三曲线43、第四曲线44和第五曲线45后，采用UV曲面的绘制方式可以绘制出第一曲面的3D形状。需要说明的是，为了更好地说明第三曲线43和第四曲线44，图7a中未示出第一曲线，图7b中未示出第二曲线。

这种方式得到的第一曲面，可以获得较好的汇聚效果，而且形成的光斑形状与显示面板的显示区域形状相适配，有利于提高光效。

在一种实施方式中，第三曲线43满足以下关系式：

z1＝A1*x⁴+B1*x²+C，-D1≤x≤D1，关系式(1)

其中，z1为第三曲线上各点与入光面的距离，A1为第一四次项系数，B1为第一二次项系数，C为第一节距，D1为x的绝对值的最大值。

也就是说，可以在第一方向中心截面所在的平面上建立坐标系，以第一对称轴所在的直线为x轴，以经过第一对称轴的中心且与第一对称轴相垂直的直线为z轴，那么，第三曲线43上各点的纵向坐标z1与横向坐标x满足关系式(1)。

在一种实施方式中，第一四次项系数A1满足-0.000084≤A1≤-0.000076，即A1可以为-0.000084至-0.000076中的任意数值。

在一种实施方式中，第一二次项系数B1满足-0.01428≤B1≤-0.01292，即B1可以为-0.01428至-0.01292中的任意数值。

在一种实施方式中，第一节距C满足13≤C1≤23，即C可以为13至23中的任意数值。

在一种实施方式中，x的绝对值的最大值D1满足18≤D1≤23，即D1可以为18至23中的任意数值。

在一个实施例中，A1＝-0.00008，B1＝-0.0136，C＝17.4，D1＝20.5，那么，关系式(1)可以为

z1＝-0.00008*x⁴-0.0136*x²+17.4，-20.5≤x≤20.5。

在一种实施方式中，第四曲线44满足以下关系式：

z2＝A2*y⁴+B2*y²+C，-D2≤y≤D2，关系式(2)

其中，z2为第四曲线上各点与入光面的距离，A2为第二四次项系数，B2为第二二次项系数，C为第一节距，D2为y的绝对值的最大值。

也就是说，可以在第二方向中心截面所在的平面上建立坐标系，以第二对称轴所在的直线为y轴，以经过第二对称轴的中心且与第二对称轴相垂直的直线为z轴，那么，第四曲线44上各点的纵向坐标z2与横向坐标y满足关系式(2)。

在一种实施方式中，第二四次项系数A2满足-0.000168≤A1≤-0.000152，即A2可以为-0.000168至-0.000152中的任意数值。

在一种实施方式中，第二二次项系数B2满足-0.0.03675≤B2≤0.03325，即B2可以为-0.03675至-0.03325中的任意数值。

在一种实施方式中，第一节距C满足13≤C1≤23，即C可以为13至23中的任意数值。

在一种实施方式中，y的绝对值的最大值D2满足16≤D1≤20，即D2可以为16至20中的任意数值。

在一个实施例中，A2＝-0.00016，B1＝-0.035，C＝17.4，D2＝18，那么，关系式(2)可以为

Z2＝-0.00016*y⁴-0.035*y²+17.4，-18≤y≤18。

在一种实施方式中，如图5所示，入光面21的边缘形成的第五曲线45包括依次平滑闭合连接的第一线段451、第一弧线段452、第二线段453和第二弧线段454。第一线段451和第二线段453相对设置在第一对称轴31的两侧，第一线段451和第二线段453相对于第一对称轴对称。第一弧线段452和第二弧线段454相对设置在第二对称轴32的两侧，第一弧线段452和第二弧线段454相对于第二对称轴32对称。第一弧线段452包括依次平滑连接在第一线段451和第二线段453之间的第一子弧线段452a、中间弧线段452b和第二子弧线段452c，第一子弧线段452a和第二子弧线段452c的半径均为R3，中间弧线段的半径为R4。其中，R3的取值范围为9.6至14.4(包括端点值)，和/或，R4的取值范围为19.2至28.8(包括端点值)。也就是说，R3可以为9.6至14.4中的任意数值，R4可以为19.2至28.8中的任意数值。

需要说明的是，第五曲线45中的各个线段平滑连接，也就是说，第五曲线45中的各个线段相切连接。

在一种实施方式中，R3可以为12，R4可以为24，中间弧线段452b所在圆弧的中心为第一对称轴31和第二对称轴32的交点。

需要说明的是，第三曲线43与入光面21的两个交点可以限定出第五曲线在第一对称轴31上的尺寸，第四曲线44与入光面的两个交点可以限定出第五曲线在第二对称轴32上的尺寸，结合第一子弧线段452a、中间弧线段452b和第二子弧线段452c的参数，可以确定出第五曲线。

在一种实施方式中，如图4所示，凸透镜还可以包括平坦部分23，平坦部分23位于入光面21的背离出光面22的一侧，入光面21位于平坦部分23的朝向入光面21一侧的表面上，入光面21的边缘与平坦部分23的边缘之间设置有预设距离，入光面21的边缘位于平坦部分23的边缘的内侧。这样的凸透镜，平坦部分23可以为凸透镜提供安装位置，方便通过平坦部分23将凸透镜固定安装。

在一种实施方式中，平坦部分在垂直于入光面21方向上的尺寸的范围为1mm至2mm(包括端点值)，以及，平坦部分的厚度的范围为1mm至2mm。例如，平坦部分的厚度可以为1mm、1.5mm、2mm中的一个数值。

需要说明的是，本文中涉及的数值的单位相同，例如各个数值的单位均为毫米(mm)。

本公开实施例中的凸透镜，表面粗糙度小于Ra0.8。凸透镜表面可以镀增透膜来提高凸透镜的透光性，增透膜的厚度可以为420nm至680nm(包括端点值)。凸透镜的尺寸公差可以为±0.3mm，凸透镜的材质可以包括高硼硅玻璃。凸透镜的成型工序可以包括模压法、第一次抛光、镀膜、第二次抛光等。

本公开实施例提供的凸透镜，出光面包括第一曲面和第二曲面，第一曲面为外凸曲面，第二曲面位于第一曲面的中心，且第二曲面相对于第一曲面为凹面，第二曲面可以起到发散光线的作用，从而，第二曲面可以将位于凸透镜中间位置的光线向边缘发散，降低凸透镜中间位置的亮度，提高边缘部的亮度。将本公开实施例中的凸透镜应用于投影装置中，自凸透镜出射的光线中间位置亮度降低，边缘位置亮度提高，从而，当画面通过投影镜头进行投影后，可以减轻投影镜头的“渐晕”现象造成的影响，改善了投影画面的均一性，均一性可以达到客户要求的65％～80％。

本公开实施例还提供一种投影装置，投影装置包括本公开实施例中的凸透镜。

图8为本公开一实施例中投影装置的结构示意图。如图8所示，投影装置可以包括凸透镜20、光源11、第一菲涅尔透镜13、液晶显示面板14、第二菲涅尔透镜15、反射镜16和投影镜头18。其中，光源11位于凸透镜20的入光侧，第一菲涅尔透镜13、液晶显示面板14和第二菲涅尔透镜15依次设置在凸透镜10的出射光路径上，第一菲涅尔透镜13靠近凸透镜20。反射镜16位于第二菲涅尔透镜15的出射光路径上，且反射镜16倾斜设置，投影镜头18位于反射镜16的反射光线路径上。

在一种实施方式中，投影装置还可以包括隔热玻璃17，隔热玻璃17位于第一菲涅尔透镜13与液晶显示面板14之间。

示例性地，光源可以为LED光源，LED光源可以采用COB封装，光源为面光源，发散角为160°，为朗伯光源。

凸透镜20可以对光源11发出的光线进行收束，通过折射将光线发散角减小，达到汇聚光源的作用。示例性地，光源与凸透镜20之间的间距可以为2mm至3mm(包括端点值)。

第一菲涅尔透镜13用于将凸透镜20出射的光线进一步准直以便用来成像，从而提高光的利用率，减小像素差。示例性地，第一菲涅尔透镜13与凸透镜20之间的距离约为65mm。需要说明的是，第一菲涅尔透镜13与凸透镜20之间的距离与液晶显示面板14的尺寸相关，液晶显示面板14的尺寸越大，第一菲涅尔透镜13与凸透镜20之间的距离越大，以便第一菲涅尔透镜13出射的光线可以覆盖到液晶显示面板14的整个显示区域，避免画面缺失或出现暗角现象。

隔热玻璃17可以隔绝光源的热量，避免液晶显示面板14受影响。示例性地，可以在液晶显示面板14的朝向光源的一侧粘贴反射型偏光片，以反射大部分无用光和热量。

液晶显示面板14进行光线调制，显示画面。液晶显示面板14与隔热玻璃17之间的间隙约6mm至10mm。

第二菲涅尔透镜15与液晶显示面板14之间的间隙约为10mm。第二菲涅尔透镜15用于对液晶显示面板14显示的画面进行初次成像，成正立虚像，将液晶显示面板14出射的光线进行汇聚，以便减小镜头孔径。示例性地，第二菲涅尔透镜15的焦距可以为120mm。

反射镜16可以改变光线方向，示例性地，反射镜16可以与第二菲涅尔透镜15的光轴呈45°夹角。反射镜16的中心与第二菲涅尔透镜15之间的距离可以约50mm。反射镜16用于将自低二菲涅尔透镜15出射的光线反射至投影镜头18进行投影显示。

投影镜头18用于放大成像、改善像差。投影镜头18的焦距可以为125mm。投影镜头18与反射镜16的中心之间的距离约70mm。

图9a为图1所示投影装置投影幕布光效示意图，图9b为本公开实施例投影装置投影幕布光效示意图。图9a中的投影装置采用相关技术中的凸透镜12，投影幕布光效约为2.81％，图9b中投影装置采用本公开实施例中的凸透镜，投影幕布光效约为2.77％。虽然本公开实施例中投影装置(如图8所示)的光效较相关技术中投影装置(如图1所示)的光效略微下降(下降了约0.04％)，但该下降量属于可以接受的数值，对投影装置影响很小。

图10a为图1所示投影装置在投影幕布上的照度分布图，图10b为本公开实施例投影装置在投影幕布上的照度分布图。

可以将投影幕布划分为3*3的九宫格，第n个宫格的中心点的照度值用Pn表示，均一性的计算表达式可以为：

均一性值＝Average(P1+P3+P7+P9)/P5。

在一个实施例中，图10a所示的照度分布图的均一性值约为49.99％，图10b所示的照度分布图的均一性值约为80％。

因此，本公开实施例中的投影装置在采用本公开实施例中的凸透镜后，投影画面的均一性大大提高。

在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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，还可以是通信；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。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公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种凸透镜，其特征在于，包括入光面和出光面，所述入光面呈平面，所述出光面包括第一曲面和第二曲面，所述第一曲面自所述入光面朝向远离所述入光面的方向凸出，所述第二曲面与所述第一曲面相交，所述第二曲面位于所述第一曲面的中心，所述第二曲面自所述第一曲面朝向所述入光面的方向凹陷；

所述入光面具有相互垂直的第一对称轴和第二对称轴，所述入光面在所述第一对称轴上的尺寸大于在所述第二对称轴上的尺寸，所述第二曲面在第一方向截面上的曲线朝向所述入光面方向凹陷，所述第二曲面在第二方向截面上的曲线朝向远离所述入光面的方向凸出，其中，所述第一方向截面为与所述第一对称轴平行且与所述入光面垂直的截面，所述第二方向截面为与所述第二对称轴平行且与所述入光面垂直的截面。

2.根据权利要求1所述的凸透镜，其特征在于，所述第二曲面在第一方向中心截面上的曲线为第一曲线，所述第二曲面在第二方向中心截面上的曲线为第二曲线，所述第一曲线为相对于所述第二方向中心截面对称的弧形曲线，所述第二曲线为相对于所述第一方向中心截面对称的弧形曲线，其中，所述第一方向中心截面为经过所述第一对称轴且与所述入光面垂直的截面，所述第二方向中心截面为经过所述第二对称轴且与所述入光面垂直的截面。

3.根据权利要求2所述的凸透镜，其特征在于，满足以下至少之一：

所述第一曲线为圆弧曲线，所述第一曲线所在的圆弧的中心位于所述出光面的背离所述入光面的一侧，所述第一曲线所在的圆弧的中心与所述入光面之间的距离的范围为21.6mm至32.4mm，所述第一曲线所在圆弧的半径为R1，R1的取值范围为9.6mm至14.4mm；

所述第二曲线为圆弧曲线，所述第二曲线所在的圆弧的中心位于所述入光面的背离所述出光面的一侧，所述第二曲线所在的圆弧的半径为R2，R2的取值范围为16mm至24mm。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的凸透镜，其特征在于，所述入光面具有相互垂直的第一对称轴和第二对称轴，所述第一曲面在第一方向中心截面上的曲线为第三曲线，所述第一曲面在第二方向中心截面上的曲线为第四曲线，所述入光面的边缘形成第五曲线，所述第一曲面为由所述第三曲线、所述第四曲线和所述第五曲线拟合而成的非球面曲面，其中，所述第一方向中心截面为经过所述第一对称轴且与所述入光面垂直的截面，所述第二方向中心截面为经过所述第二对称轴且与所述入光面垂直的截面。

5.根据权利要求4所述的凸透镜，其特征在于，所述第三曲线满足以下关系式：

z1=A1*x⁴+B1*x²+C，-D1≤x≤D1，

其中，z1为所述第三曲线上各点与所述入光面的距离，A1为第一四次项系数，B1为第一二次项系数，C为第一节距，D1为x的绝对值的最大值。

6.根据权利要求5所述的凸透镜，其特征在于，

所述第一四次项系数A1满足-0.000084≤A1≤-0.000076；和/或，

所述第一二次项系数B1满足-0.01428≤B1≤-0.01292；和/或，

所述第一节距C满足13≤C1≤23；和/或，

所述x的绝对值的最大值D1满足18≤D1≤23。

7.根据权利要求4所述的凸透镜，其特征在于，所述第四曲线满足以下关系式：

z2=A2*y⁴+B2*y²+C，-D2≤y≤D2，

其中，z2为第四曲线上各点与所述入光面的距离，A2为第二四次项系数，B2为第二二次项系数，C为第一节距，D2为y的绝对值的最大值。

8.根据权利要求7所述的凸透镜，其特征在于，

所述第二四次项系数A2满足-0.000168≤A2≤-0.000152；和/或，

所述第二二次项系数B2满足-0.03675≤B2≤-0.03325；和/或，

所述第一节距C满足13≤C≤23；和/或，

所述y的绝对值的最大值D2满足16≤D2≤20。

9.根据权利要求4所述的凸透镜，其特征在于，所述第五曲线包括依次平滑闭合连接的第一线段、第一弧线段、第二线段和第二弧线段，所述第一线段和所述第二线段相对设置在所述第一对称轴的两侧，所述第一弧线段和所述第二弧线段相对设置在所述第二对称轴的两侧，所述第一弧线段包括依次平滑连接在所述第一线段和所述第二线段之间的第一子弧线段、中间弧线段和第二子弧线段，所述第一子弧线段和所述第二子弧线段的半径均为R3，所述中间弧线段的半径为R4，所述中间弧线段所在圆弧的中心位于所述第一对称轴和所述第二对称轴的交点，

其中，R3的取值范围为9.6mm至14.4mm，和/或，R4的取值范围为19.2mm至28.8mm。

10.根据权利要求1所述的凸透镜，其特征在于，所述凸透镜还包括平坦部分，所述平坦部分位于所述入光面的背离所述出光面的一侧，所述入光面位于所述平坦部分的朝向所述入光面一侧的表面上，所述入光面的边缘与所述平坦部分的边缘之间设置有预设距离。

11.根据权利要求10所述的凸透镜，其特征在于，所述平坦部分在垂直于所述入光面方向上的尺寸的范围为1mm至2mm。

12.一种投影装置，其特征在于，包括权利要求1至11中任一项所述的凸透镜。

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