CN114442334A - 准直镜组、光源模组、合光系统及投影装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种准直镜组、光源模组、合光系统及投影装置，准直镜组包括：第一透镜；第二透镜，所述第二透镜位于所述第一透镜的光线传输路径上，所述第二透镜为菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的齿形切割面具有朝向所述菲涅尔透镜光轴的槽面，所述槽面与所述光轴之间的夹角为倾斜角，所述倾斜角的角度为15°‑25°。本申请的准直镜组，第二透镜采用菲涅尔透镜，减少准直镜组的厚度尺寸和重量，保证准直镜组在光轴方向上整体长度较小，体积较小，减小准直镜组的占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面中朝向光轴一侧的槽面的倾斜角，将该槽面与光轴之间的倾斜角设计为15°‑25°，有效提高了准直镜组的几何光效。

Description

准直镜组、光源模组、合光系统及投影装置
技术领域
本申请涉及投影技术领域，更具体地，涉及一种准直镜组、光源模组、合光系统及投影装置。
背景技术
在投影设备的合光系统中，通常采用普通透镜(例如，传统的球面或非球面透镜)对光源发出的光线进行准直。传统的球面或非球面透镜不仅几何光效一般，而且厚度较厚、重量较大，占用合光系统中较大空间，影响投影设备中其他镜组的装配。
发明内容
本申请的一个目的是提供一种准直镜组的新技术方案，至少能够解决现有技术中准直透镜几何光效一般且占用空间大的问题。
根据本申请的第一方面，提供了一种准直镜组，包括：第一透镜；第二透镜，所述第二透镜位于所述第一透镜的光线传输路径上，所述第二透镜为菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的齿形切割面具有朝向所述菲涅尔透镜光轴的槽面，所述槽面与所述光轴之间的夹角为倾斜角，所述倾斜角的角度为15°-25°。
可选地，所述第二透镜的所述倾斜角的角度为15°-20°。
可选地，所述菲涅尔透镜的齿形槽深度为0.05-0.08mm。
可选地，所述第二透镜的另一表面为非球面。
可选地，所述第二透镜的菲涅尔面远离所述第一透镜。
可选地，所述第一透镜为非球面透镜。
可选地，所述第一透镜的有效焦距为6-7mm，所述第二透镜的有效焦距为1.5-2mm。
可选地，所述第一透镜采用玻璃材质制作形成，所述第二透镜采用塑料制作形成。
根据本申请的第二方面，提供一种光源模组，包括：光源；如上述实施例中所述的准直镜组，所述准直镜组位于所述光源的光路传输路径上。
根据本申请的第三方面，提供一种合光系统，包括合光元件，至少一个上述实施例中所述的光源模组，所述光源模组出射的光线经合光元件合束为一束出射光。
根据本申请的第四方面，提供一种投影装置，包括上述实施例中所述的合光系统、匀光系统、光阀系统和投影镜头。
根据本发明实施例的准直镜组，第二透镜采用菲涅尔透镜，减少准直镜组的厚度尺寸和重量，保证准直镜组在光轴方向上整体长度较小，体积较小，减小准直镜组的占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面中朝向光轴一侧的槽面的倾斜角，将该槽面与光轴之间的倾斜角设计为15°-25°，有效提高了准直镜组的几何光效。
通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。
图1是本发明的第二透镜的截面图；
图2是本发明的合光系统的光路示意图；
图3是本发明的投影装置的光路示意图。
附图标记：
准直镜组100；
第一透镜10；
第二透镜20；菲涅尔面21；槽面22；
二向色棱镜30；
光源40；
匀光系统50；
聚光镜组61；半波片62；偏振分光器63；相位补偿片64；光阀系统65；投影镜头66。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
下面结合附图具体描述根据本发明实施例的准直镜组100。
如图1至图3所示，根据本发明实施例的准直镜组100包括第一透镜10和第二透镜20。
具体而言，第二透镜20位于第一透镜10的光线传输路径上，第二透镜20为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的齿形切割面具有朝向菲涅尔透镜光轴的槽面22，槽面22与光轴之间的夹角为倾斜角，倾斜角的角度为15°-25°。
换言之，根据本发明实施例的准直镜组100主要由第一透镜10和第二透镜20组成。本申请的准直镜组100可以应用在投影装置、AR光机等设备中。其中，参见图2和图3，第二透镜20设置在第一透镜10的光线传输路径上，光线经过第一透镜10后能够入射到第二透镜20上。第二透镜20采用菲涅尔透镜，菲涅尔透镜能够改变光线的折射角，对大角度的光线进行修正，有利于更好地对光线进行准直，保证投影装置中其他后续光学元件能够更好地利用光能，提高投影装置的整体光学效率。
菲涅尔透镜可以理解为将普通的球面或非球面透镜在光轴方向上压缩折叠，在理想上能够等效于普通的球面或非球面透镜，同时具有更薄的尺寸和更轻的重量。因此通过将第二透镜20设计成菲涅尔透镜，使准直镜组100在光轴方向上整体长度较小，体积较小，减小准直镜组100的占用空间。
如图1所示，菲涅尔透镜的齿形切割面(即菲涅尔面)具有朝向菲涅尔透镜光轴的槽面22。菲涅尔透镜在实际生产制造过程中，齿形切割面的锯齿结构会一定程度上造成自身几何光效的损耗，很难在减少体积、重量的同时，还能兼顾光效。
需要说明的是，本申请菲涅尔透镜的齿形切割面中朝向光轴的槽面22为无效区域，齿形切割面中背向光轴的一面为有效区域。无效区域所形成的杂散光会影响菲涅尔透镜的成像质量。
为此，本申请对菲涅尔透镜的结构进行了改进。参加图1，菲涅尔透镜的齿形切割面具有朝向菲涅尔透镜光轴的槽面22(无效区域)。槽面22与光轴之间的夹角为倾斜角，倾斜角的角度θ为15°-25°。在准直镜组100中，对于倾斜角度的设计尤为重要。准直镜组100为了能够接收光源40发出的大角度光，实现对光源40发出的光线进行准直。本发明通过将槽面22与光轴之间的倾斜角θ设计为15°-25°，能够有效减少光线的二次折射，保证准直镜组100的几何光效能够达到75％-77％左右。
由此，根据本发明实施例的准直镜组100，第二透镜20采用菲涅尔透镜，减少准直镜组100的厚度尺寸和重量，保证准直镜组100在光轴方向上整体长度较小，体积较小，减小准直镜组100的占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面中朝向光轴一侧的槽面22的倾斜角，将该槽面22与光轴之间的倾斜角设计为15°-25°，有效提高了准直镜组100的几何光效。
可选地，第二透镜20的倾斜角的角度为15°-20°。通过将槽面22与光轴之间的倾斜角设计为15°-20°，能够进一步减少光线的二次折射，保证准直镜组100的几何光效能够达到75.7％-77.1％。
根据本发明的一个实施例，菲涅尔透镜的齿形槽深度为0.05-0.08mm。
也就是说，如图1所示，菲涅尔透镜的齿形切割面的齿形槽的深度H加工成0.05-0.08mm。理论上齿形槽的深度越小越好，本发明通过合理设计齿形槽的深度，同时结合倾斜角θ在15°-25°的范围，可以保证准直镜组100的几何光效能够达到75％-77％左右。
根据本发明的一个实施例，第二透镜20的另一表面为非球面。
换句话说，如图2所示，第二透镜20的一个表面为菲涅尔面21，另一个表面为非球面。第二透镜20的菲涅尔面21，即具有齿形切割面的一侧。第二透镜20的另一面采用非球面设计，第二透镜20的非球面为多项式非球面，例如，偶次非球面。第二透镜20的非球面设计，能够改变光线的折射角，对大角度的光线进行修正，便于更好地将光线准直，有利于后续光学元件更好地利用光能，将投影装置的几何光效提高到75％以上。
根据本发明的一个实施例，第二透镜20的菲涅尔面21远离第一透镜10。
也就是说，参见图2，第二透镜20设置在第一透镜10的光线传输路径上，第二透镜20的非球面可以朝向第一透镜10，第二透镜20的菲涅尔面21远离第一透镜10。光线经过第一透镜10后射入第二透镜20的非球面一侧，并从第二透镜20的菲涅尔面21一侧射出，从而实现对光线的准直，提高光能利用率。通过将第二透镜20的菲涅尔面21设置在远离第一透镜10的一侧，能够更好地满足准直镜组100与投影装置中其他光学结构的布局，减少准直镜组100在投影装置中的占用空间。当然，在本申请中，也可以将第二透镜20的菲涅尔面21靠近第一透镜10，第二透镜20的非球面远离第一透镜10。
在本发明的一些具体实施方式中，第一透镜10为非球面透镜。第一透镜10靠近光源40，第一透镜10采用非球面透镜，满足第一透镜10高折射需求。
根据本发明的一个实施例，第一透镜10的有效焦距为6-7mm，第二透镜20的有效焦距为1.5-2mm。第一透镜10采用玻璃材质制作形成，第二透镜20采用塑料制作形成。
换句话说，在本发明的准直镜组100中，第一透镜10为非球面透镜，第一透镜10的有效焦距为6-7mm，例如，6.32mm。第二透镜20为菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的齿形切割面(即菲涅尔面21)的齿形槽的深度可以为0.08mm，倾斜角的角度为19.739°。第二透镜20的有效焦距为1.5-2mm，例如，1.97mm。其中，第一透镜10采用玻璃材质制成，保证第一透镜10的高折射性能。第二透镜20采用塑料制成，可选地，第二透镜20可以采用环烯烃塑料制成，环烯烃塑料具有高透明度、低双折射、低吸水率以及好的模具加工性能等。具体地，第二透镜20可以采用PMMA树脂或PC树脂加工形成。
本申请通过采用一片高折射的玻璃透镜(第一透镜10)和由环烯烃塑料制成的菲涅尔透镜组成的准直镜组100，能够减少准直镜组100的厚度尺寸(在光轴方向的长度尺寸)和重量，跟采用两个普通透镜组成的准直镜组100相对比，长度能够减小3.9％，重量减少37.1％，保证准直镜组100在光轴方向上整体长度较小，体积较小，减小准直镜组100的占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面中朝向光轴一侧的槽面22的倾斜角，将该槽面22与光轴之间的倾斜角设计为15°-25°，有效提高了准直镜组100的几何光效。
在本申请的准直镜组100中，当第一透镜10采用玻璃非球面透镜，第二透镜20采用菲涅尔透镜时，菲涅尔透镜的倾斜角和齿形槽的深度对准直透镜几何光效的影响如下表一所示：
表一：
Figure BDA0003454893890000071
如表一所示，齿形槽的深度理论上应该越小越好，当齿形槽深度为0°时，可以达到理想状态下的79％。当齿形槽的深度为0.025mm，不符合菲涅尔透镜的制作性。由表一可知，当菲涅尔透镜的倾斜角为15-25°，准直镜组100的几何光效能够达到75％以上，特别当菲涅尔透镜的倾斜角为15-20°时，菲涅尔透镜的几何光效能够达到77.1％，这与理想状态下79％的几何光效非常接近。
因此，根据本发明实施例的准直镜组100，第二透镜20采用菲涅尔透镜，减少准直镜组100的厚度尺寸和重量，保证准直镜组100在光轴方向上整体长度较小，体积较小，减小准直镜组100的占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面中朝向光轴一侧的槽面22的倾斜角，将该槽面22与光轴之间的倾斜角设计为15°-25°，有效提高了准直镜组100的几何光效。
本申请的第二方面，提供一种光源模组包括光源40和上述实施例中的准直镜组100。准直镜组100位于光源40的光路传输路径上。
具体来说，如图2和图3所所示，本发明实施例的光源模组主要由光源40和准直镜组100组成。其中，光源40用于发出光线，光源40可以采用LED(light emitting diode，发光二极管)、OLED(有机发光二极管)以及激光发生器等不同类型的能够产生不同颜色光束的元件。准直镜组100设置在光源40的光路传输路径上。通过准直镜组100对光源40发出的光线进行准直。准直镜组100为了能够接收光源40发出的大角度光，实现对光源40发出的光线进行准直。本申请通过采用一片高折射的玻璃透镜(第一透镜10)和由环烯烃塑料制成的菲涅尔透镜组成的准直镜组100，能够减少准直镜组100的厚度尺寸和重量，保证准直镜组100在光轴方向上整体长度较小，体积较小，减小光源模组的占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面中朝向光轴一侧的槽面22的倾斜角，将该槽面22与光轴之间的倾斜角设计为15°-25°，能够有效减少光线的二次折射，保证光源模组的几何光效能够达到75％-77％左右。
当然，在本申请的光源模组中，还可以在准直镜组100的光线传播路径上设置二向色棱镜30等光学元件，二向色棱镜30能够对光源40发出的蓝光进行反射，同时对红、绿光透过，提高光源模组的使用范围，同时也便于根据投影装置内部的空间合理布置各个不同光学元件的位置。
根据本申请的第三方面，提供一种合光系统，包括合光元件，至少一个上述实施例中的光源模组，光源模组出射的光线经合光元件合束为一束出射光。
也就是说，合光系统主要由合光元件和光源模组组成，光源模组中光源40发出的光线经过准直镜组100准直后，传递给合光元件。合光元件能够准直镜组100准直后的不同颜色光束经的传递路径进行合并，形成一束出射光。
由于根据本发明实施例的光源模组具有上述技术效果，因此，根据本发明实施例的合光系统也应具有相应的技术效果，即在本发明实施例的合光系统中，采用一片高折射的玻璃透镜(第一透镜10)和由环烯烃塑料制成的菲涅尔透镜组成的准直镜组100，能够减少准直镜组100的厚度尺寸和重量，保证准直镜组100在光轴方向上整体长度较小，体积较小，进而减小合光系统的占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面中朝向光轴一侧的槽面22的倾斜角，将该槽面22与光轴之间的倾斜角设计为15°-25°，能够有效减少光线的二次折射，保证合光系统的几何光效能够达到75％-77％左右。
根据本申请的第四方面，提供一种投影装置，包括上述实施例中的合光系统、匀光系统50、光阀系统65和投影镜头66。如图3所示，经过合光系统后的出射光，经过匀光系统50后，能够输出均匀大小的光斑。光线通过匀光系统50匀光后进入光阀系统65调制成像，最后通过投影镜头66进行投影。
本发明通过采用一片高折射的玻璃透镜(第一透镜10)和由环烯烃塑料制成的菲涅尔透镜组成的准直镜组100，能够减少准直镜组100的厚度尺寸和重量，保证准直镜组100在光轴方向上整体长度较小，体积较小，进而减小投影装置的内部占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面中朝向光轴一侧的槽面22的倾斜角，将该槽面22与光轴之间的倾斜角设计为15°-25°，能够有效减少光线的二次折射，保证投影装置的整体光效能够达到75％以上。
在本申请中，匀光系统50包括匀光元件，可以采用复眼镜片(FLYEYE)或积分器等，光线经匀光元件匀光后可以通过聚光镜组61、半波片62、偏振分光器63、相位补偿片64到达光阀系统65，该光阀系统65可以采用LCOS(硅基液晶面板)、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、DMD(数字微反射镜)或其他反射式空间光调制器。最后经过光阀系统65反射后的光线进入投影镜头66，实现投影装置的投影成像。
当然，对于本领域技术人员来说，本申请的投影装置的其他结构及其原理是可以理解并且能够实现的，在本申请中需在详细赘述。
虽然已经通过例子对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种准直镜组，其特征在于，包括：
第一透镜；
第二透镜，所述第二透镜位于所述第一透镜的光线传输路径上，所述第二透镜为菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的齿形切割面具有朝向所述菲涅尔透镜光轴的槽面，所述槽面与所述光轴之间的夹角为倾斜角，所述倾斜角的角度为15°-25°。
2.根据权利要求1所述的准直镜组，其特征在于，所述第二透镜的所述倾斜角的角度为15°-20°。
3.根据权利要求1所述的准直镜组，其特征在于，所述菲涅尔透镜的齿形槽深度为0.05-0.08mm。
4.根据权利要求1所述的准直镜组，其特征在于，所述第二透镜的另一表面为非球面。
5.根据权利要求4所述的准直镜组，其特征在于，所述第二透镜的菲涅尔面远离所述第一透镜。
6.根据权利要求1所述的准直镜组，其特征在于，所述第一透镜为非球面透镜。
7.根据权利要求1所述的准直镜组，其特征在于，所述第一透镜的有效焦距为6-7mm，所述第二透镜的有效焦距为1.5-2mm。
8.根据权利要求1所述的准直镜组，其特征在于，所述第一透镜采用玻璃材质制作形成，所述第二透镜采用塑料制作形成。
9.一种光源模组，其特征在于，包括：
光源；
如权利要求1-8中任一项所述的准直镜组，所述准直镜组位于所述光源的光路传输路径上。
10.一种合光系统，其特征在于，包括合光元件，至少一个如权利要求9中所述的光源模组，所述光源模组出射的光线经合光元件合束为一束出射光。
11.一种投影装置，其特征在于，包括如权利要求10中所述的合光系统、匀光系统、光阀系统和和投影镜头。
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