CN114578642A - 一种投影系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种投影系统，属于投影设备技术领域。该投影系统包括：光束产生装置、光束处理装置和光学系统；其中，所述光学系统用于进行离散波长的像差矫正；其中，所述光学系统包括至少三个透镜，所述至少三个透镜中的至少一个为超透镜；所述光束产生装置被配置为产生适用于所述超透镜的初始光束，所述初始光束包括至少三束具有离散波长的窄带光；所述光束处理装置依据要投影的图像信息将所述初始光束处理后射入所述光学系统，从而由所述光学系统投射所述初始光束；所述投影系统至少满足：WD≥100d；其中，WD为所述投影系统的工作距离；d为所述光束处理装置到所述光学系统的入射面的距离。该投影系统实现了超透镜在投影系统中的应用。

Description

一种投影系统

技术领域

本申请涉及投影设备技术领域，具体地，本申请涉及投影系统。

背景技术

通过光学透镜实现色差矫正是投影系统提高成像质量的重要手段之一。随着科技的发展，投影系统小型化的需求日渐增加，而小型化过程中成像质量的损失似乎难以避免。

现有技术通常采取增加投影系统中透镜数量的方式进行色差矫正，以追求较高的成像质量。通常，透镜数量越多，镜头体积越大，成像质量越高。

然而现有技术中投影系统的小型化受到透镜数量及镜头体积的局限。

发明内容

为了解决现有技术中投影系统的小型化受透镜数量及镜头体积所限制的问题，本申请实施例提供了一种投影系统，所述投影系统包括：光束产生装置、光束处理装置和光学系统；

其中，所述光学系统用于进行离散波长的像差矫正；

其中，所述光学系统包括至少三个透镜，所述至少三个透镜中的至少一个为超透镜；

所述光束产生装置被配置为产生适用于所述超透镜的初始光束，所述初始光束包括至少三束具有离散波长的窄带光；

所述光束处理装置依据要投影的图像信息将所述初始光束处理后射入所述光学系统，从而由所述光学系统投射所述初始光束；

所述投影系统至少满足：

WD≥100d；

其中，WD为所述投影系统的工作距离；d为所述光束处理装置到所述光学系统的入射面的距离。

可选地，所述投影系统还满足：

TTL≤10d；

其中，TTL为所述光束处理装置到所述光学系统的出射面的距离；d为所述光束处理装置到所述光学系统的入射面的距离。

可选地，所述至少三个透镜同光轴设置。

可选地，所述至少三个透镜包括一个超透镜和至少两个折射透镜；并且，

所述超透镜被配置为对入射的光束进行像差矫正。

可选地，所述至少三个透镜包括两个超透镜和至少一个折射透镜；并且，

所述两个超透镜均用于对入射的光束进行像差矫正；

所述至少一个折射透镜用于提供光焦度。

可选地，所述至少三个透镜均为超透镜；并且，

所述至少三个透镜中的每一个超透镜均用于对入射的光束进行像差矫正。

可选地，所述光学系统包括四片透镜；所述四片透镜中的每一个均为超透镜；并且，

所述四片透镜中的每一个均用于对入射的光束进行像差矫正。

可选地，所述至少三个透镜中，沿所述光学系统的投射方向，除第一片透镜和最后一片透镜之外的任一透镜沿光轴的位置可调。

可选地，所述光束产生装置包括至少三个窄带激光器和相同数量的分光镜；

所述窄带激光器产生的多束激光经所述分光器分束后生成所述初始光束。

可选地，所述光束产生装置包括至少三个窄带发光二极管和相同数量的分光镜；

所述窄带发光二极管产生的多束激光经所述分光器分束后生成所述初始光束。

可选地，所述光束产生装置包括至少两个蓝色激光器、荧光材料转盘和分光镜；

所述至少两个蓝色激光器中的一个用于产生蓝色光束；

所述至少两个蓝色激光器中的其余蓝色激光器用于照射所述荧光材料转盘以激发两个波长大于所述蓝色光束的光束；

所述蓝色光束和所述两个波长大于所述蓝色光束的光束经分光器分束后生成所述初始光束。

可选地，所述光束产生装置包括复色激光器、色轮、滤波器和分光镜；

所述复色激光器用于产生宽谱激光；

所述色轮包括至少三种颜色的扇形色块；在所述色轮旋转时通过所述色轮上不同色块的所述宽谱激光按顺序形成不同颜色的光束；

所述光束经所述滤波器后，由所述分光镜形成所述初始光束。

可选地，所述光束产生装置的带宽与中心波长的比值小于0.1。

可选地，所述光束产生装置的带宽与中心波长的比值小于0.03。

可选地，所述初始光束至少包括选自红、绿、蓝三原色的窄带光。

可选地，所述光束处理装置包括至少一个数字微镜器件。

可选地，所述光束处理装置至少一个液晶显示器。

可选地，所述光学系统的焦距小于或等于20mm。

可选地，所述光学系统的系统总长小于或等于50mm。

可选地，所述光束处理装置到所述光学系统的距离大于等于1mm，且小于或等于10mm。

可选地，所述超透镜包括基底和设置在所述基底上的纳米结构层；

所述纳米结构层包括阵列排布的纳米结构。

可选地，所述纳米结构层包括阵列排布的超结构单元；

所述超结构单元为可密堆积图形；所述可密堆积图形的中心位置和/或顶点位置设置有所述纳米结构。

可选地，所述超透镜还包括填充材料；

所述填充材料填充在所述纳米结构之间。

可选地，所述填充材料的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

可选地，所述超结构单元的周期大于或等于0.3λ_c，且小于或等于2λ_c；

其中，λ_c为所述投影系统的工作波段的中心波长。

可选地，所述纳米结构的高度大于或等于于0.3λ_c，且小于或等于5λ_c；

其中，λ_c为所述投影系统的工作波段的中心波长。

可选地，所述纳米结构的形状包括偏振相关结构。

可选地，所述纳米结构的形状包括偏振不敏感结构。

可选地，所述超透镜还包括增透膜；

所述增透膜设置于所述基底和所述纳米结构层与空气相邻的一侧。

可选地，所述超透镜的相位至少满足：

其中，r为所述超透镜中心到任一所述纳米结构中心的距离；λ为工作波长，

为任意与所述工作波长相关的相位，x,y为超透镜镜面坐标，f为所述超透镜的焦距。

可选地，所述基底的材料对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。

可选地，所述基底的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅和氢化非晶硅。

可选地，所述纳米结构的材料对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。

可选地，所述纳米结构的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅和氢化非晶硅。

可选地，所述填充材料对工作波段的消光系数小于0.01。

可选地，所述填充材料对工作波段的消光系数小于0.01。

可选地，所述填充材料包括空气、熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅。

可选地，所述基底和所述纳米结构的材料相同。

可选地，所述基底和所述纳米结构的材料不同。

可选地，所述纳米结构和所述填充材料的材料相同。

可选地，所述纳米结构和所述填充材料的材料不同。

可选地，所述超透镜上不同位置的超结构单元的周期相同。

可选地，所述超透镜上不同位置的超结构单元的周期至少部分相同。

可选地，所述超透镜还包括增透膜；

所述增透膜被配置于所述基底的一侧和/或所述纳米结构与空气相邻的一侧。

本申请实施例提供的投影系统至少取得了如下技术效果：

本申请实施例提供的投影系统，利用光束处理装置将光束产生装置产生的窄带光处理后射入光学系统，通过包括至少一个超透镜的光学系统对入射光进行包含色差矫正的像差矫正，使入射角相同但中心波长不同的入射光的出射角度相同，从而实现了超透镜在投影系统中的应用，打破了投影系统设计中的技术偏见。

附图说明

所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。

图1示出了本申请实施例提供的投影系统的一种可选的原理示意图；

图2示出了本申请实施例提供的投影系统的又一种可选的原理示意图；

图3示出了本申请实施例提供的投影系统的又一种可选的原理示意图；

图4示出了本申请实施例提供的投影系统的又一种可选的原理示意图；

图5示出了本申请实施例提供的投影系统中光学系统的一种可选的结构示意图；

图6示出了本申请实施例提供的投影系统中光学系统的又一种可选地结构示意图；

图7示出了本申请实施例提供的投影系统中光学系统的又一种可选地结构示意图；

图8示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的一种可选的透视示意图；

图9示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的又一种可选的透视示意图；

图10示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的一种可选的排列方式；

图11示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的又一种可选的排列方式；

图12示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的又一种可选的排列方式；

图13示出了本申请实施例提供的一种可选的纳米结构与透过率的关系图；

图14示出了本申请实施例提供的一种可选的纳米结构与相位调制的关系图；

图15示出了本申请实施例提供的一种可选的纳米结构与透过率的关系图；

图16示出了本申请实施例提供的一种可选的纳米结构与相位调制的关系图；

图17示出了本申请实施例提供的一种可选的投影系统在480nm波段的调制传递函数；

图18示出了本申请实施例提供的一种可选的投影系统在530nm波段的调制传递函数；

图19示出了本申请实施例提供的一种可选的投影系统在660nm波段的调制传递函数；

图20示出了本申请实施例提供的又一种可选的投影系统在480nm波段的调制传递函数；

图21示出了本申请实施例提供的又一种可选的投影系统在530nm波段的调制传递函数；

图22示出了本申请实施例提供的又一种可选的投影系统在660nm波段的调制传递函数；

图23示出了本申请实施例提供的又一种可选的投影系统在480nm波段的调制传递函数；

图24示出了本申请实施例提供的又一种可选的投影系统在530nm波段的调制传递函数；

图25示出了本申请实施例提供的又一种可选的投影系统在660nm波段的调制传递函数；

图26示出了本申请实施例提供的一种可选的投影系统的畸变；

图27示出了本申请实施例提供的又一种可选的投影系统的畸变；

图28示出了本申请实施例提供的又一种可选的投影系统的畸变。

图中附图标记分别表示：

1-光束产生装置；2-光束处理装置；3-光学系统。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。

现有技术普遍认为投影系统将待透射的图像放大透射到屏幕上或按比例调配三原色以获取所需的颜色。在如今的超透镜应用中，超透镜因其无法实现宽谱的色差矫正而无法应用到投影系统中。与传统投影仪设计思路不同，本申请发明人认为，投影系统利用了视觉暂留的原理，即每次只有一个波段的光束进入投影系统的光学系统；或者同时将多束窄带光按不同的比例射入光学系统。因此，针对性地对进入光学系统的离散波长光束进行色差矫正而不对全光谱进行色差矫正是可行的。

图1至图4示出了本申请实施例提供的投影系统的原理示意图。参见图1至图4，本申请实施例提供的投影系统包括光束产生装置1、光束处理装置2和光学系统3。并且，该投影系统至少满足：

WD≥100d；(1)

公式(1)中，WD为该投影系统的工作距离(WD，Working Distance)即沿光学系统3透射方向的最后一片透镜的出射面到投影屏的距离；d为光束处理装置2到光学系统3的入射面的距离。光学系统3的出射面是指沿投影系统中光线出射方向的最后一个透镜，即最靠近投影屏幕的一个透镜。光学系统3的入射面是指沿投影系统中光线出射方向的第一个透镜，即最靠近光束处理装置2的一个透镜。

也就是说，根据本申请的实施方式，该投影系统到投影屏的距离(WD，WorkingDistance)远大于光束处理装置2到光学系统3的入射面的距离。

具体地，参见图1至图4，光束产生装置1被配置为产生适用于所述超透镜的初始光束，所述初始光束包括至少三束具有离散波长的激光。可选地，光束产生装置1包括至少两个光源和至少三个分光镜。进一步地，光束产生装置还包括色轮、滤波器和荧光材料转盘中的一种或多种。任意两束不同波长的窄带光在同一位置的视觉残留形成的可视图像具有第三种色彩。为了优化投影出的图像色彩，优选前述窄带光的中心波长至少分别选自红(R，Red)绿(G，Green)蓝(B，Blue)三原色。更加进一步的，光束产生装置1还可以射出包括更多离散波长的初始光束，以使该投影系统的像质进一步提高。

光束处理装置2被配置为依据图像信息将光束产生装置1产生的初始光束处理后射入光学系统3。光束处理装置2对初始光束的处理包括反射和透射。例如，光线处理装置2可以分时将需要的光束反射至光学系统，也可以控制不同波长光束的透过率。可选地，光束处理装置2将初始光束分时射入光学系统3。可选地，光束处理装置2将初始光束同时按比例射入光学系统3。根据本申请的实施方式，前述分时射入是指将初始光束中至少三束离散波长的激光先后射入光学系统3，且每一束光的持续时长不超出视觉暂留的持续时间。例如，对于刷新率为120Hz的投影系统，每束光的持续时间为2.78毫秒。再例如，对于刷新率60Hz的投影系统，每束光的持续时间不超过5.56毫秒。根据本申请的实施方式，前述同时按比例射入也称为按比例调配是指，根据要投影的图像信息，按比例将不同波段的光同时射入光学系统3以形成需要的颜色。

参见图5至图8，光学系统3用于进行离散波长像差矫正，该光学系统3包括至少三个透镜。其中，光学系统3中至少三个透镜中的至少一个为超透镜(ML，Metalens)。该超透镜可以分别对不同波长的入射光进行像差矫正，使入射角度相同但中心波长不同的入射光经过光学系统3后的出射角度相同。可选地，该光学系统3中至少三个透镜同光轴设置。由于本申请实施例提供的投影系统中光束产生装置1产生的光束为离散波长的窄带光，因此，超透镜的透过率满足投影系统的成像需求。像差矫正包括单色的轴上和轴外像差(球差、彗差、像散、场曲和畸变)矫正，以及多个离散波长的色差矫正。

示例性地，如图1所示，光束产生装置1包括至少三个窄带激光器和相同数量的分光镜，至少三个窄带激光器产生的多束激光经分光器(DM，Dichroic Mirror)分束后产生初始光束从光束产生装置1射出。在一种可选的实施方式中，激光器可以用窄带发光二极管(LED，Light Emitting Diode)代替。再例如图2中所示，光束产生装置1包括至少两个蓝色激光器、荧光材料转盘和分光镜。其中，一个蓝色激光器用于产生蓝色激光，蓝色激光经分光镜分束后以窄带光的形式从光束产生装置1射出。其余蓝色激光器照射荧光材料转盘以激发其他颜色(例如红色和绿色)的激光。其他颜色的激光分别经分光镜分束后从光束产生装置1射出。

根据本申请的实施方式，光束产生装置1包括复色激光器、色轮(color wheel)、滤波器和分光镜。复色激光器产生宽谱激光，例如白光(W，White)。色轮包括至少三种颜色的扇形色块，在色轮旋转时通过色轮上不同色块的宽谱激光按顺序形成不同颜色(例如红、绿、蓝和/或白色)的光线。通过色轮的光束经过不同颜色的滤波器后，再经分光镜形成初始光束从光束产生装置1射出。

上述任一实施例中的光束产生装置1用于产生适用于光学系统3进行色差校正的初始光束。从光束产生装置1中射出的初始光束射入光束处理装置2，而光束处理装置2依据图像信息，将不同的中心波长的光束按时间顺序或按照比例射入光学系统3中。为了更进一步地提高投影系统的成像质量，光束产生装置1的带宽与中心波长的比值需满足预设值，以使光学系统3实现更好的色差矫正效果。根据本申请实施方式，可选地，光束产生装置1的带宽与中心波长的比值小于0.1。可选地，光束产生装置1的带宽与中心波长的比值小于0.03。本申请实施例中光束产生装置1的带宽是指光束产生装置1产生的初始光束中每一束光的带宽。光束产生装置1的带宽与中心波长的比值越小，其单色性越强，更适用于本申请实施例光学系统3中的超透镜。

例如，光束产生装置1中选用三个窄带发光二极管，分别用于发射蓝光、绿光和红光。其中，蓝光的中心波长为450nm，带宽为16nm，带宽与中心波长的比值为3.56％；绿光的中心波长为525nm，带宽为25nm，带宽与中心波长的比值为4.76％；红光的中心波长为635nm，带宽为1nm，带宽与中心波长的比值为0.16％。

又例如，光束产生装置1中包括白色LED光源和三个窄带滤波片，三个窄带滤波片分别用于产生蓝光、绿光和红光。其中，蓝光的中心波长为450nm，带宽为10nm，带宽与中心波长的比值为2.22％；绿光的中心波长为525nm，带宽为10nm，带宽与中心波长的比值为1.92％；红光的中心波长为635nm，带宽为10nm，带宽与中心波长的比值为1.57％。

又例如，光束产生装置1中选用三个窄带激光器，分别用于发射蓝光、绿光和红光。其中，蓝光的中心波长为450nm，带宽为2nm，带宽与中心波长的比值为0.44％；绿光的中心波长为525nm，带宽为2nm，带宽与中心波长的比值为0.38％；红光的中心波长为635nm，带宽为1nm，带宽与中心波长的比值为0.16％。

在一种可选的实施方式中，光束处理装置2包括至少一个数字微镜器件(DMD，Digital Micromirror Device)。光束处理装置2依据图像信息，控制DMD中相应位置的镜片偏转，按照时间顺序或按比例将对应中心波长的窄带光依次反射至光学系统3。优选地，光束处理装置2控制DMD将不需要投影的光束反射至黑体。优选地，光束处理装置2包括至少三个DMD，每个DMD分别对应一个中心波长的窄带光。

根据本申请的实施方式，数字微镜器件还可以用液晶显示器(LCD，LiquidCrystal Display)代替。LCD依据图像信息，控制不同位置的透射率。不同颜色的窄带光可以按时间顺序依次经过LCD后，射入光学系统3。或LCD根据图像信息，控制不同位置的透射率，按比例调配同时射入的不同波长的窄带光束。应理解，前述光束处理装置2具备对应的图像信息处理芯片是本领域常规技术手段。

示例性地，光束产生装置1和光束处理装置2之间的光路上还设置有色散斑减少器件。例如，色散斑减少器件可以是旋转的随机相位版。在一种可选的实施例中，该投影系统还包括棱镜，棱镜用于调节投影系统中的光路，将光束产生装置1射出的初始光束射入光束处理装置2，并且经光束处理2处理后将用于投影成像的光束射入光学系统3。棱镜有助于进一步压缩本申请实施例提供的投影系统体积。

图5至图7示出了本申请实施例提供的光学系统3的可选的结构示意图。该光学系统3包括至少三个超透镜，前述超透镜为离散波长色差矫正超透镜。可选地，光学系统3中还包括光阑。光阑被设置于光学系统3中任意两个相邻的透镜之间，用于提高该投影系统的成像对比度。

在一种示例性的实施方式中，光学系统3中，沿光束的出射方向，除第一片透镜和最后一件透镜之外的任一透镜沿光轴的位置可调。也就是说，光学系统3的至少三个透镜中有一沿光轴位置可调的透镜用于辅助光学系统3对焦。

在一种可选的实施方式中，该光学系统3中的超透镜，其相位至少满足如下公式：

其中，r为超透镜中心到任一纳米结构中心的距离；λ为工作波长，

为任意与工作波长相关的相位，x,y为超透镜镜面坐标，f为超透镜的焦距。超透镜的相位可以通过高次多项式表达，其中高次多项式包括偶次多项式和奇次多项式。本申请实施例中，公式(2)、(3)、(4)、(8)、(9)能够在不破坏超表面相位的旋转对称性的前提下，对满足偶次多项式的相位进行优化。相比公式(2)、(3)、(4)、(8)、(9)，公式(5)、(6)和(7)不仅能够对满足偶次多项式的相位进行优化，还能够对满足奇次多项式的相位进行优化且不破坏超透镜相位的旋转对称性，显著地提高了超透镜的优化自由度。需要注意的是，上述公式中系数的正负与超透镜的光焦度相关。例如，当超透镜具有正光焦度时，公式(2)、(3)、(4)中，a₁小于零；而公式(5)、(6)，a₂小于零。

应理解，本申请实施例提供的投影系统优选地与投影屏幕配套使用。可选地，投影屏幕为漫反射平面，例如硬质漫反射屏幕、软质漫反射屏幕、墙壁或其他不透明平面。

传统投影系统中，光学系统的系统总长(TTL，Total Track Length)由镜片数量和镜组间距等因素决定，受折射透镜自身的厚度和加工工艺限制，为保证投影质量，由于传统的投影系统设计中认为超透镜不能进行宽谱色差校正，从而不能用于光学系统，以促进投影系统的小型化和轻量化。故，传统投影仪的小型化设计更侧重于通过设计光路以压缩光源、图像产生器和光学系统之间的距离。而本申请采用的超透镜，降低了整个光学系统3的重量、系统总长和成本。

根据本申请的实施方式，可选地，该投影系统还满足：

TTL≤10d； (10)

其中，TTL是光学系统3的系统总长，具体为光束处理装置2到光学系统3的出射面的距离；d为光束处理装置2到光学系统3的入射面的距离。在不降低投影成像质量的前提下，使用超透镜有利于减少光学系统3中的透镜数量，也有利于减小光学系统3的焦距以及镜组间距。因此，本申请实施例不仅实现了超透镜在投影系统中的应用，还通过超透镜压缩了投影系统中光学系统3的系统总长。

根据本申请的实施方式，在一些情况下，光学系统3包括一片超透镜和至少两片折射透镜。在这种情况下，一片超透镜被配置为对初始光束中所有的离散波长的窄带光进行像差矫正。根据本申请的实施方式，在又一些情况下，光学系统3中包括至少两片超透镜。在这种情况下，至少两片超透镜中的每一片均参与像差矫正。上述像差矫正包括单色的轴上和轴外像差(球差、彗差、像散、场曲和畸变)矫正，以及多个离散波长的色差矫正。即，超透镜也提供光焦度。

根据本申请的实施方式，光学系统3的焦距f小于或等于20mm。示例性地，光学系统3的焦距f满足：0≤f≤5mm。示例性地，光学系统3的焦距满足0≤f≤5mm。

根据本申请的实施方式，光学系统3的系统总长(TTL)小于或等于50mm。示例性地，光学系统3的系统总长满足：f≤45mm、f≤40mm、f≤35mm、f≤30mm、f≤25mm或f≤20mm。

根据本申请实施例方式，可选地，光束处理装置2的出射面到光学系统3的入射面的距离d满足1mm≤d≤10mm。可选地，光束处理装置2的出射面到光学系统3的入射面的距离d满足：1mm≤d≤2mm、1mm≤d≤3mm、1mm≤d≤4mm、1mm≤d≤5mm、1mm≤d≤6mm、1mm≤d≤7mm、1mm≤d≤8mm、1mm≤d≤9mm或1mm≤d≤10mm。可选地，光束处理装置2的出射面到光学系统3的入射面的距离d满足：1mm≤d≤10mm、2mm≤d≤10mm、3mm≤d≤10mm、4mm≤d≤10mm、5mm≤d≤10mm、6mm≤d≤10mm、7mm≤d≤10mm、8mm≤d≤10mm或9mm≤d≤10mm。

在一种可选的实施方式中，如图5所示，本申请实施例提供的投影系统中，光学系统3包括四片超透镜。四片超透镜中的每一个均为离散波长色差矫正超透镜，前述四片超透镜中的每一个均提供投影光焦度和像差矫正。该示例性的实施例中，光学系统3的关键参数如表1所示。该光学系统3对中心波长为480nm、530nm和660nm的窄带光的调制传递函数分别如图17、图18和图19所示。由图17至图19可知，本申请实施例提供的光学系统3对离散波长的入射光的投影清晰度良好。此外，如图26所示，该光学系统3在所有视场的畸变均小于1％，且系统总长为40mm，有利于投影系统的小型化。

表1

表1所示的DMD尺寸中，H表示水平方向尺寸，V表示竖直方向尺寸，D表示深度方向尺寸(通常指沿光轴方向的尺寸)。

在又一种可选的实施方式中，如图6所示，本申请实施例提供的投影系统中，光学系统3包括三个同轴设置的透镜，沿着光线出射方向，依次为两片超透镜和一片折射透镜，其中两片超透镜被配置为对至少三束窄带光进行像差矫正，折射透镜被配置为提供主要的光焦度。根据本申请的实施方式，光学系统3中超透镜和折射透镜一起矫正所有像差，且超透镜对单个或两个以上离散波长的入射光具有色差矫正功能。该示例性的实施例中，光学系统3的关键参数如表2所示。该光学系统3对中心波长为480nm、530nm和660nm的窄带光的调制传递函数分别如图20、图21和图22所示。由图20至图22可知，本申请实施例提供的光学系统3对离散波长的入射光的投影清晰度良好。此外，如图27所示，该光学系统3在所有视场的畸变均小于1％，且系统总长为45mm，有利于投影系统的小型化。

表2

表2所示的DMD尺寸中，H表示水平方向尺寸，V表示竖直方向尺寸，D表示深度方向尺寸(通常指沿光轴方向的尺寸)。

在又一种可选的实施方式中，如图7所示，本申请实施例提供的投影系统中，光学系统3包括四片超透镜，并且该光学系统3被配置为离散波长色差矫正的光学系统。四片超透镜中的每一个均对入射光提供光焦度和像差矫正。该示例性的实施例中，光学系统3的关键参数如表3所示。该光学系统3对中心波长为480nm、530nm和660nm的窄带光的调制传递函数分别如图23、图24和图25所示。由图23至图25可知，本申请实施例提供的光学系统3对离散波长的入射光的投影清晰度良好。此外，如图28所示，该光学系统3在所有视场的畸变均小于1％，且系统总长为30mm，有利于投影系统的小型化。

表3

表3所示的DMD尺寸中，H表示水平方向尺寸，V表示竖直方向尺寸，D表示深度方向尺寸(通常指沿光轴方向的尺寸)。

由上述实施例可知，本申请实施例提供的投影系统中光学系统3的焦距短、系统总长小，有利于促进投影系统的小型化。

接下来参考图8至图16对本申请实施例中的超透镜进行详细描述。

超透镜为超表面的一种具体应用，超表面通过周期性排列的亚波长尺寸纳米结构对入射光的相位、幅度和偏振进行调制。图8至图12所示，超透镜包括基底和设置于基底层一侧的纳米结构层；纳米结构层包括周期性排列的超结构单元，超结构单元的顶点和/或中心位置设置有纳米结构。在一些情况下，基底的一侧设置有纳米结构层。在一些情况下，基底的两侧都设置有纳米结构层。

图8和图9示出了本申请实施例提供的可变焦光学系统所采用的超透镜的一个纳米结构的透视图。可选地，超透镜上各纳米结构之间可填充空气或在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本申请的实施方式，所填充的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。如图8所示，纳米结构可以是偏振敏感结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。例如，椭圆柱形、中空椭圆柱形、椭圆孔形、中空椭圆孔形、长方柱形、长方孔形、中空长方柱形和中空长方孔等结构。如图9所示，纳米结构可以是偏振不敏感结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。例如，圆柱形、中空圆柱形、圆孔形、中空圆孔形、正方柱形、正方孔形、中空正方柱形和中空正方孔等结构。

如图12所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成扇形。如图13所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正六边形的阵列。此外，如图14所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正方形的阵列。本领域技术人员应认识到，纳米结构层中包括的超结构单元还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本申请的范围内。

可选地，超结构单元的周期大于或等于0.3λ_c，并且小于或等于2λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长；当工作波段为多波段时，λ_c为最短波长工作波段的中心波长。可选地，纳米结构的高度大于或等于0.3λ_c，并且小于或等于5λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长；当工作波段为多波段时，λ_c为最短波长工作波段的中心波长。可选地，超透镜上不同位置的超结构单元的周期相同。可选地，超透镜上不同位置的超结构单元的周期至少部分相同。

根据本申请的实施方式，纳米结构是全介质结构单元。纳米结构的材质为在该可变焦光学系统工作波段高透过率的材料。可选地，纳米结构的材质对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。示例性地，纳米结构的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料中的一种或多种。

在一种可选的实施方式中，基底的材质与纳米结构的材质相同。在又一种可选的实施方式中，基底的材质与纳米结构的材质不同。基底的材质为本申请实施例提供的投影系统工作波段高透过率的材料。可选地，基底对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。示例性地，基底材料可以是熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料中的一种或多种。

示例性地，超透镜包括氮化硅纳米结构层和石英玻璃基底层。其中，超结构单元的周期为400nm，纳米结构的高度为1150nm，形状为纳米圆柱，纳米结构的直径小于超结构单元的周期。图13示出了本申请实施例提供的一种可选的超透镜的纳米结构尺寸与该超透镜对不同波段入射光的透过率的关系图。图14示出了本申请实施例提供的一种可选的超透镜的纳米结构的尺寸与该超透镜对不同波段入射光的相位调制关系图。

示例性地，超透镜包括氮化硅结构层和石英玻璃基底层。其中，超结构单元的周期为400nm，纳米结构的高度为1150nm，形状为纳米圆环柱，纳米结构的直径小于超结构单元的周期。图15示出了本申请实施例提供的一种可选的超透镜的纳米结构尺寸与该超透镜对不同波段入射光的透过率的关系图。图16示出了本申请实施例提供的一种可选的超透镜的纳米结构的尺寸与该超透镜对不同波段入射光的相位调制关系图。

根据本申请的实施方式，填充材料为工作波段高透过率的材料，可选地，填充材料对工作波段的消光系数小于0.01。示例性地，填充材料可以是空气。示例性地，填充材料可以是熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料中的一种或多种。优选地，填充物结构的材料与基底材料、纳米结构材料不同。

根据本申请的实施方式，超透镜还包括增透膜层，用于增加窄带光的透过率。增透膜层被配置于基底的一侧和/或纳米结构与空气相邻的一侧。

需要注意的是，本申请实施例提供的超透镜可以通过半导体工艺加工，具有重量轻、厚度薄、构及工艺简单、成本低及量产一致性高等优点。

综上所述，本申请实施例提供的投影系统，利用光束处理装置将光束产生装置产生的初始光束按时间顺序分别射入或按比例射入光学系统，通过包括至少一个超透镜的光学系统中对离散波长的窄带入射光进行像差矫正，使入射角相同但中心波长不同的入射光的出射角度相同，实现了超透镜在投影系统中的应用。相比传统投影系统，本申请实施例通过采用离散波长的超透镜将光学系统中透镜最小片数从四片降低为三片，突破了透镜片数对光学系统总长的限制，从而通过压缩光学系统的体积促进投影系统小型化的目的。此外，通过引入超透镜降低了单个透镜的厚度和重量，进一步促进了投影系统的小型化。

以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例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申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (43)

1.一种投影系统，其特征在于，所述投影系统包括：光束产生装置、光束处理装置和光学系统；

其中，所述光学系统用于进行离散波长像差矫正；

其中，所述光学系统包括至少三个透镜，所述至少三个透镜中的至少一个为超透镜；

所述光束产生装置被配置为产生适用于所述超透镜的初始光束，所述初始光束包括至少三束具有离散波长的窄带光；

所述光束处理装置依据要投影的图像信息将所述初始光束处理后射入所述光学系统，从而由所述光学系统投射所述初始光束；

所述投影系统至少满足：

WD≥100d；

其中，WD为所述投影系统的工作距离；d为所述光束处理装置到所述光学系统的入射面的距离。

2.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述投影系统还满足：

TTL≤10d；

其中，TTL为所述光束处理装置到所述光学系统的出射面的距离；d为所述光束处理装置到所述光学系统的入射面的距离。

3.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光学系统中的所述至少三个透镜同光轴设置。

4.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光学系统中的所述至少三个透镜包括一个超透镜和至少两个折射透镜；并且，

所述超透镜被配置为对入射的光束进行像差矫正。

5.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光学系统中的所述至少三个透镜包括两个超透镜和至少一个折射透镜；并且，

所述两个超透镜均用于对入射的光束进行像差矫正；

所述至少一个折射透镜用于提供光焦度。

6.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光学系统中的所述至少三个透镜均为超透镜；并且，

所述至少三个透镜中的每一个超透镜均用于对入射的光束进行像差矫正。

7.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光学系统包括四片透镜；所述四片透镜中的每一个均为超透镜；并且，

所述四片透镜中的每一个均用于对入射的光束进行像差矫正。

8.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述至少三个透镜中，沿所述光学系统的投射方向，除第一片透镜和最后一片透镜之外的任一透镜沿光轴的位置可调。

9.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光束产生装置包括至少三个窄带激光器和相同数量的分光镜；

所述窄带激光器产生的多束激光经所述分光器分束后生成所述初始光束。

10.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光束产生装置包括至少三个窄带发光二极管和相同数量的分光镜；

所述窄带发光二极管产生的多束激光经所述分光器分束后生成所述初始光束。

11.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光束产生装置包括至少两个蓝色激光器、荧光材料转盘和分光镜；

所述至少两个蓝色激光器中的一个用于产生蓝色光束；

所述至少两个蓝色激光器中的其余蓝色激光器用于照射所述荧光材料转盘以激发两个波长大于所述蓝色光束的光束；

所述蓝色光束和所述两个波长大于所述蓝色光束的光束经分光器分束后生成所述初始光束。

12.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光束产生装置包括复色激光器、色轮、滤波器和分光镜；

所述复色激光器用于产生宽谱激光；

所述色轮包括至少三种颜色的扇形色块；在所述色轮旋转时通过所述色轮上不同色块的所述宽谱激光按顺序形成不同颜色的光束；

所述光束经所述滤波器后，由所述分光镜形成所述初始光束。

13.如权利要求1-12中任一所述的投影系统，其特征在于，所述光束产生装置的带宽与中心波长的比值小于0.1。

14.如权利要求1-12中任一所述的投影系统，其特征在于，所述光束产生装置的带宽与中心波长的比值小于0.03。

15.如权利要求1中所述的投影系统，其特征在于，所述初始光束至少包括选自红、绿、蓝三原色的窄带光。

16.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光束处理装置包括至少一个数字微镜器件。

17.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光束处理装置至少一个液晶显示器。

18.如权利要求1-8中任一所述的投影系统，其特征在于，所述光学系统的焦距小于或等于20mm。

19.如权利要求1-8中任一所述的投影系统，其特征在于，所述光学系统的系统总长小于或等于50mm。

20.如权利要求1-8中任一所述的投影系统，其特征在于，所述光束处理装置到所述光学系统的距离大于等于1mm，且小于或等于10mm。

21.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述超透镜包括基底和设置在所述基底上的纳米结构层；

所述纳米结构层包括阵列排布的纳米结构。

22.如权利要求21所述的投影系统，其特征在于，所述纳米结构层包括阵列排布的超结构单元；

所述超结构单元为可密堆积图形；所述可密堆积图形的中心位置和/或顶点位置设置有所述纳米结构。

23.如权利要求21所述的投影系统，其特征在于，所述超透镜还包括填充材料；

所述填充材料填充在所述纳米结构之间。

24.如权利要求23所述的投影系统，其特征在于，所述填充材料的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

25.如权利要求22所述的投影系统，其特征在于，所述超结构单元的周期大于或等于0.3λ_c，且小于或等于2λ_c；

其中，λ_c为所述投影系统的工作波段的中心波长。

26.如权利要求21所述的投影系统，其特征在于，所述纳米结构的高度大于或等于于0.3λ_c，且小于或等于5λ_c；

其中，λ_c为所述投影系统的工作波段的中心波长。

27.如权利要求21所述的投影系统，其特征在于，所述纳米结构的形状包括偏振相关结构。

28.如权利要求21所述的投影系统，其特征在于，所述纳米结构的形状包括偏振不敏感结构。

29.如权利要求21所述的投影系统，其特征在于，所述超透镜还包括增透膜；

所述增透膜设置于所述基底和所述纳米结构层与空气相邻的一侧。

30.如权利要求21所述的投影系统，其特征在于，所述超透镜的相位至少满足：

其中，r为所述超透镜中心到任一所述纳米结构中心的距离；λ为工作波长，

为任意与所述工作波长相关的相位，x,y为超透镜镜面坐标，f为所述超透镜的焦距。

31.如权利要求21-30中任一所述的投影系统，其特征在于，所述基底的材料对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。

32.如权利要求21-30中任一所述的投影系统，其特征在于，所述基底的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅和氢化非晶硅。

33.如权利要求21-30中任一所述的投影系统，其特征在于，所述纳米结构的材料对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。

34.如权利要求33所述的投影系统，其特征在于，所述纳米结构的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅和氢化非晶硅。

35.如权利要求23或24任一所述的投影系统，其特征在于，所述填充材料对工作波段的消光系数小于0.01。

36.如权利要求35所述的投影系统，其特征在于，所述填充材料包括空气、熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅。

37.如权利要求21所述的投影系统，其特征在于，所述基底和所述纳米结构的材料相同。

38.如权利要求21所述的投影系统，其特征在于，所述基底和所述纳米结构的材料不同。

39.如权利要求23所述的投影系统，其特征在于，所述纳米结构和所述填充材料的材料相同。

40.如权利要求23所述的投影系统，其特征在于，所述纳米结构和所述填充材料的材料不同。

41.如权利要求23所述的投影系统，其特征在于，所述超透镜上不同位置的超结构单元的周期相同。

42.如权利要求23所述的投影系统，其特征在于，所述超透镜上不同位置的超结构单元的周期至少部分相同。

43.如权利要求21所述的投影系统，其特征在于，所述超透镜还包括增透膜；

所述增透膜被配置于所述基底的一侧和/或所述纳米结构与空气相邻的一侧。

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