CN113960870B - 一种反射式超短焦光学模组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超短焦镜头技术领域，公开了一种反射式超短焦光学模组，至少三组反射镜，在光线传播方向上的后一组反射镜设置于前一组反射镜的出光光路上，以对前一组的所述反射镜发出的光线的传播路线进行折转，多组所述反射镜的反射面均为自由曲面。本装置通过采用三组反射镜来对入射光线进行多次折转放大之后再投入至屏幕上，通过对光线的反射折转可以减小短焦镜头反射镜的安置空间，同时由于反射镜没有折射存在所以图像不会出现色差，也无需其他的透镜进行校正，由此不仅可以进一步提高图像的成像质量还可以减少镜头内部的镜片数量降低设备的制备成本。

Description

一种反射式超短焦光学模组
技术领域
本发明涉及超短焦镜头技术领域，具体涉及一种反射式超短焦光学模组。
背景技术
近年来随着投影技术的发展，投影仪已经被广泛应用于各种场景中，其中，超短焦投影设备以其距离短投影画面大的特点，被广泛应用于家用及办公等领域。
现有的短焦镜头的光学系统通常在光学镜头组中使用了多组的透镜再加一组反射镜的组合形式来对光路进行处理，但是由于透镜的使用会出现由于光路折射而产生色差等图像质量降低的情况出现，所以需设置多组透镜对光线进行校正以实现较高成像质量，由此整个短焦镜头内的透镜数量增加，进而导致设备体积无法缩减至较低的水平，且制备装配成本高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种反射式超短焦光学模组，该装置结构简单，占用空间小并且成本较低。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种反射式超短焦光学模组，其中，至少三组反射镜，在光线传播方向上的后一组反射镜设置于前一组反射镜的出光光路上，以对前一组的所述反射镜发出的光线的传播路线进行折转，多组所述反射镜的反射面均为自由曲面，所述反射镜设置为三组，三组所述反射镜分别为焦距为正的第一反射镜、焦距为负的第二反射镜及焦距为负的第三反射镜；
所述第一反射镜、第二反射镜及第三反射镜的反射面符合如下面型方程：
Figure 368430DEST_PATH_IMAGE001
式中，Z为曲面的失高，
Figure 132118DEST_PATH_IMAGE002
为曲率半径，B为曲率，X0，Y0为归一化口径，C（i，j）为方程系数，
Figure 14623DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 429424DEST_PATH_IMAGE004
均为第一类切比雪夫多项式，其方程形式如下：
Figure 371972DEST_PATH_IMAGE005
。
在本发明中，进一步的，所述第二反射镜所在平面与投影屏幕所在平面平行。
在本发明中，进一步的，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的参数如下表所示：
Figure 620026DEST_PATH_IMAGE006
Figure 40643DEST_PATH_IMAGE007
。
在本发明中，进一步的，多组所述反射镜为树脂镜片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的装置通过采用三组反射镜来对入射光线进行多次折转放大之后再投入至屏幕上，通过对光线的反射折转可以减小短焦镜头反射镜的安置空间，同时由于反射镜没有折射存在所以图像不会出现色差，也无需其他的透镜进行校正，由此不仅可以进一步提高图像的成像质量还可以减少镜头内部的镜片数量降低设备的制备成本。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明的MTF曲线图。
图3为本发明的画面畸变的曲线图。
图4为本发明的使用状态示意图。
附图中： 1、第一反射镜；2、第二反射镜；3、第三反射镜。
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做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。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、 “ 水平的”、“ 左”、“ 右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请同时参见图1至图4，本发明一较佳实施方式提供一种反射式超短焦光学模组，包括至少三组反射镜，在光线传播方向上的后一组反射镜设置于前一组反射镜的出光光路上，以对前一组的所述反射镜发出的光线的传播路线进行折转，多组所述反射镜的反射面均为自由曲面。
所述反射镜设置为三组，由光线出射端至光线入射端的方向上三组所述反射镜分别为第一反射镜1、第二反射镜2及第三反射镜3。
所述第二反射镜2所在平面与投影屏幕所在平面平行。三组的反射镜的摆放中当其中一组的摆放姿态确定后其余两组反射镜的摆放位置及角度即可确定，摆放的位置遵循延光路传播方向后一组反射镜恰好位于前一组反射镜的反射光线的出光光路上即可，然后调整摆放角度直至画面清晰即可确定位置。如图1所示，本实施例中第二反射镜2放置确定后第一反射镜1以及第三反射镜3按照如上的规律确定摆放位置后，第一反射镜1以及第三反射镜3之间的竖直距离较小，且前后之间有部分重叠，由此可以进一步的缩小三组反射镜的摆放空间。在本实施例中，以屏幕的中心为三维坐标系原点，以屏幕的水平方向为X轴以屏幕的竖直方向为Y轴，垂直于屏幕的方向为Z轴，在此坐标系中各组反射镜的中心点所在的位置分别为：第一反射镜（0，-20.042，230），第二反射镜（0，1，54），第三反射镜（0，32.393，258）。
所述第一反射镜1、第二反射镜2及第三反射镜3的反射面符合如下面型方程：
Figure 513213DEST_PATH_IMAGE001
式中，Z为曲面的失高，
Figure 688980DEST_PATH_IMAGE002
为曲率半径，B为曲率，X0，Y0为归一化口径，C（i，j）为方程系数，
Figure 614210DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure 651567DEST_PATH_IMAGE004
均为第一类切比雪夫多项式，其方程形式如下：
Figure 713064DEST_PATH_IMAGE009
。
对于实施例中的面型控制方程而言，其与现有的XY扩展多项式以及泽尼克多项式这两种面型方程相比而言，最突出的区别就是：归一化半径的方法不同。现有的XY扩展多项式以及泽尼克多项式归一化半径针对的是径向半径r，而实施例中的切夫雪比多项式在进行归一化的时候，x和y方向各自进行归一化，相互之间不产生干扰。
由此，现有的XY扩展多项式以及泽尼克多项式中的系数基本是关于半径r的线性关系，而本实施例中的切夫雪比多项式系数是由x的最优解并配合y的最优解来共同决定，不具有直观的线性关系。
而由此不同也带来了以下优点：
1、X，Y方向进行计算时各自独立，各个系数不是线性相关，自由度更高，同时在进行优化的过程中不容易陷入局部最优解，能够更加精准的找到整个光路中光线的最优路径（而不是局部），由此可以保证相同条件下，该方程优化出的光路得到的图像的整体像差更小，成像效果更好，成像质量可见附图2中的MTF曲线图。
2、实施例中的方程采用非圆形归一化的方法，针对大视场角或者是当前视场的边缘部分进行优化时，反射镜边缘部分的面型不会突变，面型过度更平缓，加工方便，误差更小更容易提高面型加工的成功率。
3、基于笛卡尔坐标系建立切夫雪比多项式，不仅可以用于非旋转对称的光路中还可以用于旋转对称的光路系统中，由此使得该面型方程控制下的反射镜的使用场景可以更广泛。
所述第一反射镜1、第二反射镜2以及第三反射镜3的参数如下表1所示：
表1
Figure 59732DEST_PATH_IMAGE010
Figure 472259DEST_PATH_IMAGE007
。
多组所述反射镜为树脂镜片，采用T62R材料制成。
如图2所示，为本实施例的MTF曲线图，该曲线图代表成像的清晰程度，在横坐标的空间频率最大值处（10.0mm）对应的OTF模值的值越高，则代表成像越清晰，通常来说OTF模值越接近1图像的质量越高，但是由于各种因素的影响，并不存在OTF模值为1的情况，一般当OTF模值能够保持在0.5以上时，即表示图像具有很高的成像质量，画面的清晰度极佳，所以由此可知本实施例的超短焦镜头的OTF模值能够保持在0.6以上，所以其具有很高的成像质量。
如图3所示，为本实施例的画面畸变的曲线图，横坐标为变形百分比，纵坐标为发光源大小，通常来说变形百分比会随着发光源的大小的增加而变大，畸变百分比的值越接近0，那画面的变形量越小，一般变形百分比一直保持在-5.0~5.0之内即为合理，而由图中可知当发光源的大小在3.0-6.6之间时，变形百分比基本保持-3.0不在变化，所以可知本实施例的方案的画面畸变较小，符合使用要求。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (4)

1.一种反射式超短焦光学模组，其特征在于，至少三组反射镜，在光线传播方向上的后一组反射镜设置于前一组反射镜的出光光路上，以对前一组的所述反射镜发出的光线的传播路线进行折转，多组所述反射镜的反射面均为自由曲面，所述反射镜设置为三组，三组所述反射镜分别为焦距为正的第一反射镜（1）、焦距为负的第二反射镜（2）及焦距为负的第三反射镜（3）；
所述第一反射镜（1）、第二反射镜（2）及第三反射镜（3）的反射面符合如下面型方程：
Figure 5632DEST_PATH_IMAGE001
式中，Z为曲面的失高，
Figure 343072DEST_PATH_IMAGE002
为曲率半径，B为曲率，X0，Y0为归一化口径，C（i，j）为方程系数，
Figure 858979DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 7195DEST_PATH_IMAGE004
均为第一类切比雪夫多项式，其方程形式如下：
Figure 798434DEST_PATH_IMAGE005
。
2.根据权利要求1所述的一种反射式超短焦光学模组，其特征在于，所述第二反射镜（2）所在平面与投影屏幕所在平面平行。
3.根据权利要求2所述的一种反射式超短焦光学模组，其特征在于，所述第一反射镜（1）、第二反射镜（2）和第三反射镜（3）的参数如下表所示：
Figure 690297DEST_PATH_IMAGE006
Figure 250592DEST_PATH_IMAGE007
。
4.根据权利要求1所述的一种反射式超短焦光学模组，其特征在于，多组所述反射镜为树脂镜片。
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