CN114624850A - 自动聚焦投影装置和包括其的投影光学引擎 - Google Patents

自动聚焦投影装置和包括其的投影光学引擎 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有焦距微调的自动聚焦投影装置。还公开了一种包括该装置的投影光学引擎。该自动聚焦投影装置包括投影透镜系统，其包括从长共轭侧到短共轭侧布置的第一透镜组、第二透镜组、孔径光阑、第三透镜组和第四透镜组；步进电机；控制板，和飞行时间(TOF)距离测量模块；其中，步进电机通过调节杆连接到用于容纳第二组透镜的内部镜筒，并且基于由TOF距离测量模块测量的投影距离仅移动第二组透镜以进行自动聚焦调节。包括调制闪光发射器和CMOS相机传感器的3D TOF模块可用于投影光学引擎中进行自动梯形畸变校正和自动聚焦距离检测。

Description

自动聚焦投影装置和包括其的投影光学引擎
技术领域
所公开的技术涉及投影装置，尤其涉及用于诸如投影显示引擎、数字相机系统和移动电话相机的各种应用的自动聚焦投影装置。此外，所公开的技术涉及包括自动聚焦投影装置的投影光学引擎。
背景技术
当以不同距离投影图像或从各种距离捕获图像时，需要进行聚焦调节。例如，在投影显示应用中，屏幕可能位于不同的投影距离处。在数码相机系统或移动相机中，对象可能位于不同的距离处。用于聚焦调节的传统方法是沿光轴前后移动具有固定焦距的整个图像投影透镜，以使图像聚焦。
在成像应用中，如投影显示和数码相机系统中，也需要自动聚焦调节。使用高精度步进电机沿光轴前后移动图像投影透镜主体，以进行自动聚焦微调。CMOS相机传感器用于反馈形成的锐利的图像，以控制步进电机，其中，控制系统使用对比度检测或相位检测分析算法来反馈形成了清晰图像。近来，在高端智能电话中已经使用了使用红外激光器的飞行时间(TOF)自动聚焦方法，该方法具有超快和用于低光照条件的优势。它向物体发射红外光束，并计算光被反射的时间，然后能够计算到物体的距离。计算出的距离用于控制步进电机。
在投影显示应用中，也需要进行梯形畸变校正。如果投影仪轴未垂直于投影屏幕放置，则屏幕上的图像将具有梯形畸变。当发生梯形畸变时，需要手动调节投影仪位置，以使投影机垂直于投影屏幕定位。
通常，当需要自动聚焦调节时，需要沿光轴前后移动具有固定焦距的整个投影透镜主体以进行聚焦调节，并且可能需要步进电机通过对比度检测来控制该移动。对于大面板投影系统，无论是诸如DLP或LCOS的微显示投影系统，还是CCD成像系统，投影透镜通常都是相当大且笨重的，因此可能需要大的电机，这使得投影装置的体积非常庞大。移动固定焦距的透镜主体的另一个挑战是，当移动得太近或太远时，图像质量可能会大大下降。另外，对比度检测自动聚焦控制方法具有调节时间长的问题，通常需要超过1秒。
发明内容
为了在投影系统(例如投影显示引擎或数码相机系统)中使用小电机进行自动聚焦调节，在本发明中公开了一种通过仅移动一组投影透镜的创新的焦距微调方法及装置。创新的自动聚焦投影装置包括：投影透镜系统，其包括依次从长共轭侧到短共轭侧布置的第一透镜组、第二透镜组、孔径光阑、第三透镜组和第四透镜组；步进电机；控制板，和飞行时间(TOF)距离测量模块；其中，所述步进电机通过调节杆连接到所述第二组透镜，并基于TOF测距模块测量的投影距离来仅仅移动所述第二透镜组进行自动聚焦控制；其中，所述投影透镜系统的焦距在自动聚焦调节期间具有细微的变化。
在这种创新的自动聚焦投影装置中，投影透镜系统可以包括仅用于容纳第二透镜组的内部镜筒和用于容纳包括第一、第三和第四透镜组的主要投影透镜主体的外部镜筒，所述主投影透镜体、内部镜筒和外部镜筒具有紧密的公差配合以进行平滑的聚焦调节。容纳第二透镜组的内部镜筒重量轻且体积小，因此在自动聚焦调节期间，仅需小电机来使第二透镜组沿光轴前后移动，以实现紧凑设计。在聚焦调节期间，容纳主要投影镜主体的外部镜筒将不会被移动。TOF距离检测模块向物体发射红外光束，并计算光被反射的时间，然后能够计算从TOF距离检测模块到物体的距离。计算出的距离用于控制步进电机，以基于写在控制板上的查找表或算法将第二组透镜移动到适当的位置。使用TOF距离检测方法，执行自动聚焦调节一次可以只需要少于0.3秒的时间。
在投影透镜系统中，其可以包括依次从长共轭侧到短共轭侧布置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，并且投影透镜系统还包括在第二透镜组和第三透镜组之间的孔径光阑。第一透镜组通常具有负折射率，以接受宽视场光并用于轴外像差校正。第一透镜组可以包括非球面透镜。第二透镜组可具有正折射率，用于轴外像差和高阶球面像差校正。第二透镜组可以仅仅是单个双凸透镜。第二透镜组还可用于投影距离聚焦和公差。第一透镜组和第二透镜组布置在孔径光阑之前，并且第一透镜组和第二透镜组的组合具有正折射率，焦距在10mm至35mm之间，优选地在15mm至30mm之间。孔径光阑之后的第三透镜组具有正折射率，并且可以是由高折射率材料透镜和高阿贝值材料透镜制成的胶合透镜，以用于色差和球差校正。第四透镜组可以具有正折射率，用于高阶像差、色差和畸变校正。第四透镜组可以包括非球面透镜。第三透镜组和第四透镜组可以组合成一个后透镜组透镜，并且第三透镜组和第四透镜组的组合具有正折射率，焦距在5mm至20mm之间，优选地在9mm至18mm之间。本发明的投影透镜系统是远心透镜系统。
在另一方面，公开了一种具有该自动聚焦投影装置的投影光学引擎。投影光学引擎包括具有创新的自动聚焦装置，该自动聚焦装置包括投影透镜系统、内部镜筒、外部镜筒、步进电机、控制板、调节杆、飞行时间(TOF)距离测量模块，其中投影透镜系统包括依次从长共轭侧到短共轭侧布置的第一透镜组、第二透镜组、孔径光阑、第三透镜组和第四透镜组；该投影光学引擎还包括：微显示面板和光学引擎照明系统，其中，所述步进电机通过调节杆连接到所述第二组透镜，并且基于所述TOF距离测量模块测量的投影距离仅移动所述第二组透镜以进行自动聚焦控制。微显示面板用于显示视频图像，并且图像将通过所述投影透镜系统被投影在屏幕上。该光学引擎照明系统至少包括红色、绿色和蓝色光束，这些光束通过二向色镜组合到同轴光路中而不增加光学扩展量，并且以均匀的光束图案照射所述微显示面板。
该投影光学引擎通过使用小电机针对不同的投影距离仅需要移动第二透镜组，而自动聚焦调节，并且通过透镜组件的公差来补偿任何散焦。在某些情况下，由于投影透镜组件的公差和用于飞行时间(TOF)检测算法的查找表的准确性，屏幕上的图像可能不清晰或不锐利。如果发生这种情况，则投影光学引擎中可能需要红外相机模块。该红外相机模块捕获屏幕上的图像，并使用算法来分析图像质量(例如对比度)，从而判断屏幕上是否显示清晰且锐利的图像。如果图像不清晰或不锐利，则电机可以小步移动第二透镜组进行重新聚焦并检查图像是否聚焦。
当将3D TOF模块用于投影光学引擎时，它可以自动校正梯形畸变以及投影距离检测。3D TOF模块将包括红外VESEL或LED光学装置以及CMOS相机传感器。3D TOF模块可以将单个调制的闪光投影到对象上，该对象可以是投影屏幕。反射光由TOF相机传感器捕获，该传感器测量每个像素的深度、幅度和相位差。结果是该距离或深度的高度可靠的图像加上整个场景的灰度图片，其用于梯形畸变校正。作为一种替代方法，发出调制的闪光的光源可以集成到光学引擎照明系统中，或者可以仅充当光学引擎照明系统的一个光源，因此，3DTOF自动梯形校正模块仅需要CMOS相机传感器。
本发明的范围由权利要求书限定。通过考虑以下对一个或多个实施例的详细描述，将向本领域技术人员提供对本发明的实施例更完整理解及其附加优点的实现。
附图说明
通过附图以及下面的描述，可以更好地理解本发明的技术方案，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的自动聚焦投影装置；
图2示出了根据本发明的实施例的自动聚焦投影透镜系统；
图3示出了根据本发明的实施例的投影透镜系统对于1.2m投影距离的MTF的曲线图；
图4A示出了根据本发明的实施例的投影透镜系统对于1.2m投影距离的场曲的曲线图；
图4B示出了根据本发明的实施例的投影透镜系统对于1.2m投影距离的畸变的曲线图；
图5示出了根据本发明的实施例的投影透镜系统对于0.6m投影距离的MTF的曲线图；
图6是根据本发明的实施例的投影透镜系统对于3.0m投影距离的MTF的曲线图；和
图7示出了包括根据本发明的实施例的自动聚焦投影装置的投影光学引擎。
通过参考下面的详细描述，将最好地理解本公开的实施例及其优点。应当理解，相同的附图标记用于标识在一个或多个附图中示出的相同的元件。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的自动聚焦投影装置的实施例。该自动聚焦投影装置包括：投影透镜系统10；步进电机20；控制板30；和飞行时间(TOF)距离测量模块40。在图2中详细示出了投影透镜系统10。投影透镜系统10包括依次从长共轭侧到短共轭侧布置的第一透镜组101、第二透镜组102、孔径光阑10A、第三透镜组103和第四透镜组104。如图1-2所示，自动聚焦投影装置还包括调节杆50、内部镜筒60和外部镜筒70，并且其中，内部镜筒60用于仅容纳第二透镜组102，而外部镜筒70用于容纳主要投影透镜主体，该主要投影透镜主体包括第一透镜组101、第三透镜组103和第四透镜组104，内部镜筒60和外部镜筒70具有紧密的公差配合，以进行平滑的聚焦调节。调节杆50的一端连接到用于容纳所述第二透镜组102的内部镜筒60，调节杆50的另一端连接到步进电机20和控制板30，使得步进电机20与控制板30一起可以通过调节杆50控制第二组透镜102的移动。步进电机20可以安装在外部镜筒70上。TOF距离检测模块40向物体发射红外光束，并计算光被反射的时间，然后能够计算从TOF距离检测模块40到物体的距离。根据计算出的距TOF距离检测模块40的距离和写在控制板30上的查找表或算法，控制板30可以生成控制信号，该控制信号用于控制步进电机，以通过调节杆50将第二透镜组102的内部镜筒60沿光轴前后移动到适当位置。
以这种方式，仅第二透镜组102的内部镜筒60将被移动以进行自动聚焦控制，并且具有主要投影透镜主体的外部镜筒70在自动聚焦调节期间不会被移动。具有第二透镜组102的内部镜筒60质量轻且体积小，因此，在自动聚焦调节期间仅需要小电机即可使第二透镜组沿光轴前后移动，从而实现紧凑的设计。所述投影透镜系统10的焦距在自动聚焦调节期间具有细微的变化。使用飞行时间距离检测，自动聚焦调节可能只需要不到0.3秒的时间。
返回图2，在仅包括用于DLP投影系统的5片光学透镜元件的投影透镜系统10的实施例中，第一透镜组101可以具有负折射率，以收集宽视场光束并进行离轴图像像差校正。第一透镜组101可以包括非球面透镜101A。第二透镜组102可以具有正折射率，用于离轴像差校正和高阶球面像差校正。第二透镜组102可以仅是单个双凸透镜102A。第二透镜组102还可以用于投影距离聚焦和公差补偿。第一透镜组101和第二透镜组102布置在孔径光阑10A之前，并且第一透镜组101和第二透镜组102的组合具有正折射率，焦距在10mm至35mm之间，优选在15mm至30mm之间。孔径光阑10A之后的第三透镜组103具有正折射率，并且可以是由高折射率材料透镜和高阿贝值(Abbe value)材料透镜制成的胶合透镜，用于色差和球差校正。第四透镜组104可以具有正折射率，用于高阶像差、色差和失真校正。第四透镜组104可以包括非球面透镜104A。第三透镜组103和第四透镜组104可以组合为一个后透镜组透镜，并且第三透镜组103和第四透镜组104的组合具有正折射率，焦距在5mm至20mm之间，优选在9mm至18mm之间。由微显示面板107反射的光将穿过TIR棱镜106和板105，然后分别发射穿过第四透镜组104、第三透镜组103、第二透镜组102和第一透镜组101，并且最终被投影在投影屏幕上。本发明的投影透镜系统10是远心透镜系统。
图3-6示出了根据本发明的实施例的投影透镜系统10针对不同投影距离的MTF或场曲和失真。具体地，图3示出了投影透镜系统10对于1.2m投影距离的MTF的曲线图，并且可以看出，本发明的投影透镜系统10具有良好的MTF品质，例如，当每毫米周期数的空间频率为46.5时，MTF可以超过0.8。在所有场域上，MTF在93线/毫米的分辨率下都可以高于0.6。图4A示出了根据本发明的实施例的投影透镜系统对于1.2m投影距离的场曲的曲线图。在所有场域上，本发明的投影透镜系统10可以有效地将场曲减小到小于0.02。图4B示出了根据本发明的实施例的投影透镜系统对于1.2m投影距离的畸变的曲线图。在所有场域上，本发明的投影透镜系统10的畸变可被控制为小于0.5％。图5-6分别显示了投影透镜系统对于0.6m和3.0m投影距离的MTF的曲线图。也可以看出，对于0.6m和3.0m的投影距离，本发明的投影透镜系统10都具有良好的MTF品质。通过仅调节第二透镜组，对于0.6m和3.0m的投影距离，MTF可以在所有场域上保持约0.6。
作为本发明的自动聚焦投影装置的应用，图7示出了投影光学引擎。该投影光学引擎包括自动聚焦投影装置，该自动聚焦投影装置包括：投影透镜系统10’；步进电机20’；控制板30’；调节杆50’和飞行时间(TOF)距离测量模块40’。投影透镜系统10’具有与图2中所示的投影透镜系统10相同的结构，即包括从长共轭侧到短共轭侧布置的第一透镜组、第二透镜组、孔径光阑、第三透镜组和第四透镜组。该自动聚焦投影装置还包括内部镜筒和外部镜筒，并且其中内部镜筒用于仅容纳第二透镜组，而外部镜筒用于容纳主要投影透镜主体，该主要投影透镜主体包括第一透镜组、第三透镜组和第四透镜组，内部镜筒和外部镜筒具有紧密的公差配合以进行平滑的聚焦调节。其中，调节杆50’的一端连接到用于封闭所述第二透镜组的内部镜筒，并且调节杆50’的另一端连接到步进电机20’和控制板30’，使得步进电机20’与控制板30’一起可以通过调节杆50’来控制第二组透镜的移动。TOF距离检测模块40’向物体发射红外光束并计算光被反射的时间，然后能够计算从TOF距离检测模块40’到物体的距离。根据计算出的距TOF距离检测模块40’的距离和写在控制板30’上的查找表或算法，控制板30’可以生成控制信号，该控制信号用于控制步进电机，以通过调节杆50’将第二透镜组的内部镜筒沿光轴前后移动到适当位置。步进电机20’用于基于控制信号自动调节投影透镜系统10’的第二透镜组的位置，以在屏幕上获得清晰的图像。
投影光学引擎还包括微显示面板107’和光学引擎照明系统110。微显示面板107’用于显示视频图像，并且视频图像将通过所述投影透镜系统10’被投影在投影屏幕(未示出)上。光学引擎照明系统110可以至少包括红色、绿色和蓝色光束，其通过二向色镜被组合到同轴光路中，而不增加光学扩展量，并且以均匀的光束图案照射到微显示面板107’。
该投影光学引擎可以通过使用小电机20’在不同的投影距离下均仅移动第二透镜组，从而自动聚焦调节，并且通过透镜组件的公差和热效应来补偿任何散焦。在某些情况下，由于投影透镜组件的公差和飞行时间(TOF)检测算法的查找表的准确性，屏幕上的图像可能不清晰且不锐利。为了解决这个问题，投影光学引擎可以包括红外相机模块。该红外相机模块用于捕获屏幕上的图像，并且控制板30’的算法用于分析捕获的图像的质量(诸如对比度)，从而判断屏幕上显示的图像是否清晰且锐利。如果图像不清晰或不锐利，则电机20’将一步小步移动第二透镜组以进行重新聚焦，并检查图像是否聚焦。
作为替代，TOF距离检测模块可以是3D TOF模块，其可以自动校正梯形畸变并用于投影距离检测。3D TOF模块可以包括红外VESEL或LED设备以及CMOS相机传感器。3D TOF模块可以将红外VESEL或LED装置发出的单个调制的闪光投影到物体上，该物体可以是投影屏幕。投影屏幕反射的光由CMOS相机传感器捕获，该CMOS相机传感器测量每个像素的深度、幅度和相位差。结果是该距离或深度的高度可靠的图像加上整个场景的灰度图片，其用于梯形畸变校正。作为一种替代方法，发出调制的闪光的光源可以集成到光学引擎照明系统中，或者可以仅充当光学引擎照明系统的一个光源，因此，3D TOF自动梯形校正模块仅需要CMOS相机传感器。
当将投影透镜系统应用于投影显示光学引擎时，在自动聚焦调节期间，仅需小电机就可以使第二透镜组沿光轴前后移动，以实现紧凑设计。只要满足仅移动一组透镜组即可以自动聚焦调节的需要，就可以修改投影透镜系统。例如，投影透镜系统可以通过沿光轴前后移动第三透镜组来进行自动聚焦调节。
上述实施例示出了本发明，但不限制本发明。还应当理解，根据本发明的原理，可以进行多种修改和变化。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种自动聚焦投影装置，包括：
包括至少两个透镜组的投影透镜系统，
内部镜筒，用于容纳所述至少两个透镜组中的一个透镜组，
外部镜筒，用于容纳所述至少两个透镜组中的其他透镜组，
安装在所述外部镜筒上的电机，优选是步进电机，
控制板，和
调节杆；
其中，所述调节杆的一端连接到所述内部镜筒，而所述调节杆的另一端连接到所述电机；
其中，所述电机基于所述控制板发送的控制信号来移动所述调节杆，从而在自动聚焦调节期间使所述一个透镜组沿所述投影透镜系统的光轴前后移动；并且
其中，所述投影透镜系统的焦距在自动聚焦调节期间具有细微改变。
2.根据权利要求1所述的自动聚焦投影装置，其中，所述至少两个透镜组包括依次从长共轭侧到短共轭侧布置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，并且所述投影透镜系统还包括位于所述第二透镜组和所述第三透镜组之间的孔径光阑。
3.根据权利要求2所述的自动聚焦投影装置，其中，所述一个透镜组是第二透镜组；并且所述第二透镜组包括单个双凸透镜，优选地，在自动聚焦调节期间，仅所述第二透镜组被所述电机沿所述光轴前后移动，并且所述第二透镜组能够用于投影距离聚焦并利用焦距细微改变来进行公差补偿。
4.根据权利要求2所述的自动聚焦投影装置，其中，所述第一透镜组具有负折射率，并且被配置为收集宽视场光并校正离轴像差；
其中，所述第二透镜组具有正折射率，并且被配置为校正离轴像差和高阶球差；
其中，所述第三透镜组具有正折射率，并且能够是用于校正色差和球差的胶合透镜；
并且其中，所述第四透镜组具有正折射率，并被用于高阶像差、色差和畸变校正。
5.根据权利要求2所述的自动聚焦投影装置，其中，所述第一透镜组和所述第二透镜组的组合具有正折射率，焦距在10mm至35mm之间，优选地在15mm至30mm之间；并且其中，所述第三透镜组和第四透镜组的组合具有正折射率，焦距在5mm至20mm之间，优选地在9mm至18mm之间。
6.根据权利要求1所述的自动聚焦投影装置，还包括：
飞行时间(TOF)距离检测模块，用于测量投影距离；
其中，所述飞行时间距离检测模块向物体发射调制的红外光束，计算所述红光光束从所述物体反射的时间，并且计算从所述飞行时间距离检测模块到所述物体的投影距离；
其中，计算出的投影距离用于基于查询表和算法来控制所述电机，以将所述一个透镜组移动到合适的位置，其中，所述查询表和算法写在所述控制板上；并且
其中，执行一次自动聚焦调节仅需要少于0.3秒的时间。
7.一种具有自动聚焦调节的投影光学引擎，包括：
-根据权利要求1-6中任一项所述的自动聚焦投影装置；
-微显示面板；和
-光学引擎照明系统；
其中，所述微显示面板被配置为显示视频图像，并且所述图像将通过所述投影透镜系统被投影在屏幕上；并且
其中，所述光学引擎照明系统至少包括红色、绿色和蓝色光束，所述光束通过二向色镜组合到同轴光路中而不增加光学扩展量，并且以均匀的光束图案照射所述微显示面板。
8.根据权利要求7所述的投影光学引擎，还包括：
相机模块，用于捕获所述屏幕上的图像；和
用于分析图像是否清晰且锐利的算法；
其中，如果所述屏幕上的图像不清晰或不锐利，则所述电机将小步移动所述第二透镜组以重新聚焦。
9.根据权利要求7所述的投影光学引擎，还包括：
3D飞行时间(TOF)模块，用于自动梯形畸变校正和投影距离检测；
其中，所述3D飞行时间模块包括用于发射单个调制的闪光的红外VESEL或LED光学装置，和CMOS相机传感器，其中，所述3D飞行时间模块将所述单个调制的闪光投影到所述屏幕上，并且所述屏幕反射的光由所述CMOS相机传感器捕获，所述CMOS相机传感器测量每个像素的深度、幅度和相位差，并用于梯形畸变校正。
10.根据权利要求9所述的投影光学引擎，其中，用于发射所述单个调制的闪光的红外VESEL或LED光学装置能够被集成到所述光学引擎照明系统中；替代地，其中，用于发射所述单个调制的闪光的红外VESEL或LED光学装置能够仅是所述光学引擎照明系统的一个光源，从而对于所述3D飞行时间模块仅需要CMOS相机传感器来执行梯形畸变校正。
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