CN114706192A - 一种光学投影系统以及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种光学投影系统以及电子设备。从放大侧至缩小侧，所述光学投影系统包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中所述第一透镜和所述第二透镜构成第一透镜组，所述第三透镜、第四透镜和第五透镜构成第二透镜组，所述第一透镜组的光焦度为负，所述第二透镜组的光焦度为正。
Description
技术领域
本申请涉及光学设备技术领域，更具体地，本申请涉及一种光学投影系统以及电子设备。
背景技术
光学投影系统发展迅速，应用领域十分广泛。例如投影光学系统应用于数字光处理(Digital Light Processing,DLP)投影设备、增强现实技术(Augmented Reality，AR)设备和虚拟现实(Virtual Reality，VR)设备。
目前人们追求的不仅仅是成像画面的质量，还有趋向于体积小便于携带，因此设计投影成像系统时，如何在确保成像画面质量的情况下，使得成像系统的体积小型化也是亟需解决的技术问题。
发明内容
本申请的一个目的是提供一种光学投影系统以及电子设备新技术方案。
根据本申请实施例的第一方面，提供了一种光学投影系统。从放大侧至缩小侧，所述光学投影系统包括：
第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中所述第一透镜和所述第二透镜构成第一透镜组，所述第三透镜、第四透镜和第五透镜组成第二透镜组，所述第一透镜组的光焦度为负，所述第二透镜组的光焦度为正。
可选地，从放大侧至缩小侧，所述光学投影系统的光焦度顺序为：负正/正负正。
可选地，所述光学投影系统满足以下关系：5.2mm＜f00＜6.3mm，35.5mm＜f11＜45mm，10mm＜f22＜16.5mm；其中，所述f00为光学投影系统的总有效焦距，所述f11为所述第一透镜组的有效焦距，所述f22为所述第二透镜组的有效焦距。
可选地，所述光学投影系统满足以下关系：5＜TL/D＜10.5；
其中，所述TL为光学投影系统的光学总长，所述D为光学投影系统中最大透镜的口径。
可选地，所述光学投影系统满足以下关系：7.0<f1<10.2，13.2<f2<20.1，8.1<f3<16.0，7.5<f4<17.1，6.5<f5<12.5；
其中，所述f1为所述第一透镜的有效焦距，所述f2为所述第二透镜的有效焦距，所述f3为所述第三透镜的有效焦距，所述f4为所述第四透镜的有效焦距，所述f5为所述第五透镜的有效焦距。
可选地，所述第三透镜和所述第四透镜胶合连接。
可选地，所述第一透镜的第一面为凸面，所述第一透镜的第二面为凹面；所述第二透镜的第一面和第二面均为凸面；所述第三透镜的第一面和第二面均为凸面；所述第四透镜的第一面为凹面，所述第四透镜的第二面为平面；所述第五透镜的第一面和第二面均为凸面；其中，每一片透镜的第一面相对于其第二面更靠近放大侧设置。
可选地，所述第一透镜和所述第五透镜均为非球面透镜，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜均为球面透镜。
可选地，所述光学投影系统还包括光阑，所述第二透镜与所述第三透镜之间设置有所述光阑。
根据本申请实施例第二方面，提供了一种电子设备。所述电子设备包括如第一方面所述的光学投影系统。
在本申请实施例中，提供了一种光学投影系统。光学投影系统包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，且第一透镜组的光焦度为负，第二透镜组的光焦度为正。本申请提供的光学投影系统包含的透镜数目少，结构紧凑，从而保证光学投影系统的体积小，便于携带。
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
构成说明书的一部分的附图描述了本申请的实施例，并且连同说明书一起用于解释本申请的原理。
图1所示为本申请光学投影系统的结构示意图一。
图2所示为本申请光学投影系统的调制传递函数图一。
图3所示为本申请光学投影系统的调制传递函数图二
图4所示为本申请光学投影系统的调制传递函数图三。
图5所示为本申请光学投影系统的场曲图。
图6所示为本申请光学投影系统的畸变图。
图7所示为本申请光学投影系统的色差图。
附图标记说明：
1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、图像源；7、平板玻璃；8、棱镜；9、光阑；10、第一透镜组；20、第二透镜组。
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和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术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。
本申请提供了一种光学投影系统。光学投影系统应用于投影装置。例如光学投影系统可以应用于投影光机、照明光机等。或者光学投影系统可以应用于AR(增强现实)设备或者VR(虚拟现实)设备。
VR(Virtual Reality，虚拟现实)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多元信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。本申请的光学投影系统应用于VR，在降低了VR设备体积的情况下，提升VR设备的成像画面。
AR(Augmented Reality，增强现实技术)是一种利用计算机系统产生虚拟图像信息来增加用户对现实世界感知的技术。AR技术致力于将计算机生成的虚拟物体、图像、文字等信息，叠加到真实场景，创造一个虚实结合的世界，并通过图像识别、跟踪、注册技术、云技术等实现虚实场景的交互，从而实现对现实世界的“增强”。本申请的光学投影系统应用于AR，在降低了AR设备体积的情况下，提升了AR设备的成像画面。
参照图1所示，从放大侧至缩小侧，所述光学投影系统包括：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5，其中所述第一透镜1和所述第二透镜2构成第一透镜组10，所述第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5构成第二透镜组20，所述第一透镜组10的光焦度为负，所述第二透镜组20的光焦度为正。
在该实施例中，本申请实施例的光学投影系统应用于投影装置，投影装置适用于家庭娱乐、会议、教育等场所。
在该实施例中，沿光线传输方向包括缩小侧和放大侧，光学投影系统中的图像源6、平板玻璃7、棱镜8、第五透镜5、第四透镜4、第三透镜3、第二透镜2以及第一透镜1沿同一光轴依次设于缩小侧和放大侧之间。其中，缩小侧为投影过程中，生成投影光线的图像源6(比如DMD芯片)所在的一侧，也即像方；放大侧为投影过程中，用于显示投影图像的投影面(比如投影屏幕)所在的一侧，也即物方。投影光线的传输方向为由缩小侧至放大侧。
具体地，投影光线由图像源6发出，自缩小侧朝放大侧发射，依次经过第五透镜5、第四透镜4、第三透镜3、第二透镜2以及第一透镜1，最终输出至位于第一透镜1背离第二透镜2一侧的投影面上，从而显示出投影图像。
在该实施例中，图像源6可选用数字微镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)芯片。DMD是由很多矩阵排列的数字微反射镜组成，工作时每个微反射镜都能够朝正反两个方向进行偏转并锁定，从而使光线按既定的方向进行投射，并且以数万赫兹的频率进行摆动，将来自照明光源的光束通过微反射镜的翻转反射进入光学投影系统成像在屏幕上。本实施例采用0.2”DMD，尺寸大小为4.6116mm*2.592mm，投射比范围在1.2-1.5。当然，图像源6也可以选用硅上液晶(LiquidCrystal On Silicon，LCOS)芯片或其他可用于出射光线的显示元件，本发明对此不作限制。需要说明的是，本申请实施例提供的光学投影系统是基于0.2”DMD，尺寸大小为4.6116mm*2.592mm，投射比范围在1.2-1.5，以及0％offset参数所设计的，不同的DMD尺寸、投射比范围以及offset参数，对应的光学投影系统的架构是完全不同的。或者说本申请实施例提供的光学投影系统对于其他DMD参数、以及投射比参数是不适用的。
在该实施例中，光学投影系统从放大侧至缩小侧依次包括第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5，即在本申请实施例中，光学投影系统只包括了五个透镜，设计出了适用于0.2”DMD、投射比范围在1.2-1.5，以及0％offset的光学投影系统。现有技术中，为了设计出适用于0.2”DMD的光学投影系统，光学投影系统包括七片透镜、八片透镜、十片透镜或者更多片透镜。相比于现有技术，本申请光学投影系统的透镜数目少，结构紧凑，光学投影系统的体积小，便于携带。
在该实施例中，光学投影系统从放大侧至缩小侧依次包括第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5，其中第一透镜1和第二透镜2构成第一透镜组10。第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5构成第二透镜组20。第一透镜组10的光焦度为负，第二透镜组20的光焦度为正。本申请对第一透镜组10和第二透镜组20的光焦度进行合理分配，以平衡光学投影系统的整体光焦度。本申请实施例在确保成像质量的情况下，使得光学投影系统的透镜数目少，结构紧凑，光学投影系统的体积小，便于携带。
在一个实施例中，从放大侧至缩小侧，所述光学投影系统的光焦度顺序为：负正/正负正。
在该实施例中，从放大侧至缩小侧，所述光学投影系统的光焦度顺序为：负正/正负正，即第一透镜1的光焦度为负，第二透镜2的光焦度为正。第三透镜3的光焦度为正、第四透镜4的光焦度为负、第五透镜5的光焦度为正。正光焦度的第一透镜1和负光焦度的第二透镜2可以消除成像过程中的的畸变。正光焦度的第三透镜3、负光焦度的第四透镜4以及正光焦度的第五透镜5可以消除成像过程中的球差及色差，从而保证成像质量。
在一个实施例中，所述光学投影系统满足以下关系：5.2mm＜f00＜6.3mm，35.5mm＜f11＜45mm，10mm＜f22＜16.5mm；
其中，所述f00为光学投影系统的总有效焦距，所述f11为所述第一透镜组10的有效焦距，所述f22为所述第二透镜组20的有效焦距。
在该实施例中，对光学投影系统的总有效焦距进行限定，以及对第一透镜组10的有效焦距和第二透镜组20的有效焦距进行限定，确保了光学成像系统场曲、色差和畸变参数在合适的范围内，提升了成像质量。
在一个实施例中，所述光学投影系统满足以下关系：5＜TL/D＜10.5；
其中，所述TL为光学投影系统的光学总长，所述D为光学投影系统中最大透镜的口径。
在该实施例中，光学投影系统采用五个透镜，透镜数目少，同时，通过设置光学投影系统的总长TL和光学投影系统中的最大透镜口径D满足：5＜TL/D＜10.5，可控制光学投影系统的总长和半径，使得光学投影系统的结构紧凑，从而在一定程度上保证光学投影系统的体积尺寸小，使光学投影系统便于携带和使用。其中，光学投影系统的总长是指：沿光轴方向，第一透镜1的出光面的顶点与图像源6的背面(背向第五透镜5一侧的表面)之间的距离。
本申请实施例中，光学投影系统沿光线传输方向依次包括图像源6、平板玻璃7棱镜8、正光焦度的第五透镜5、负光焦度的第四透镜4、正光焦度的第三透镜3、正光焦度的第二透镜2以及负光焦度的第一透镜1，且设置光学投影系统的总长TL和光学投影系统中的最大透镜口径D满足：5＜TL/D＜10.5，使得光学系统在满足成像要求的同时，透镜数目少、结构紧凑，从而保证光学系统的体积尺寸小，便于携带和使用。
在一个实施例中，所述光学投影系统满足以下关系：7.0<f1<10.2，13.2<f2<20.1，8.1<f3<16.0，7.5<f4<17.1，6.5<f5<12.5；
其中，所述f1为所述第一透镜1的有效焦距，所述f2为所述第二透镜2的有效焦距，所述f3为所述第三透镜3的有效焦距，所述f4为所述第四透镜4的有效焦距，所述f5为所述第五透镜5的有效焦距。
在该实施例中，对每一片透镜的有效焦距进行限定，以及对光学投影系统的总有效焦距进行限定，合理分配第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5的光焦度，改善成像过程中的像差，提高分辨率和亮度，改善了成像质量。
在一个实施例中，所述第三透镜3和所述第四透镜4胶合连接。
在该实施例中，在第二透镜组20中，靠近放大侧的前两片透镜胶合连接形成了胶合透镜。即在第二透镜组20中，包括了一个胶合透镜，能够有效消减光学成像过程中产生的色差。
在一个实施例，所述第一透镜1的第一面为凸面，所述第一透镜1的第二面为凹面；所述第二透镜2的第一面和第二面均为凸面；所述第三透镜3的第一面和第二面均为凸面；所述第四透镜4的第一面为凹面，所述第四透镜4的第二面为平面；所述第五透镜5的第一面和第二面均为凸面；其中，每一片透镜的第一面相对于其第二面更靠近放大侧设置。
具体地，第一透镜1为具有负光焦度的弯月型透镜；第二透镜2为具有正光焦度的双凸型透镜；第三透镜3具有正焦距的双凸型透镜，第四透镜4具有负光焦度的为凹平透镜，且第三透镜3和第四透镜4双胶合连接，第五透镜5为具有正光焦度的双凸型透镜
由于第三透镜3和第四透镜4组成了双胶合透镜，光学投影系统适用于0.2”DMD，投射比1.2-1.5，0％offset设计时，能够有效消减光学成像过程中产生的色差。本申请实施例对光学投影系统中每片透镜的面型和光焦度进行限定，以及对光学投影系统中透镜的数量进行了限定，使得光学投影系统适用于0.2”DMD，投射比1.2-1.5，0％offset设计，提升了光学投影系统的成像质量。
在一个实施例中，所述第一透镜1和所述第五透镜5均为非球面透镜，所述第二透镜2、所述第三透镜3和所述第四透镜4均为球面透镜。
在该实施例中，当透镜表面为非球面结构时，能够有效的减小透镜的边缘像差，从而提高光学投影系统的性能，提升成像质量。通过第一透镜1的非球面结构和第五透镜5的非球面结构，有效地实现对多个球面透镜校正像差的效果，也有利于实现光学投影系统的小型化。而球面透镜的使用，能够有效降低透镜的加工难度及生产成本，从而减少光学投影系统的成本。
在一个实施例中，所述光学投影系统还包括光阑9，所述第二透镜2与所述第三透镜3之间设置有所述光阑9。
在该实施例中，光阑9具体为孔径光阑9，光阑9用于限制通过的投影光线的直径，调节射出所述光学投影系统的光通量。本实施例在第二透镜2和第三透镜3之间设置光阑9，即在第一透镜组10和第二透镜组20之间设置光阑9。
根据本申请实施例第二方面，提供了一种电子设备。所述电子设备包括如第一方面所述的光学投影系统。例如电子设备可以是投影机或者照明光机、增强现实(AR)设备或者虚拟现实(VR)设备等。
实施例1
在一个具体的实施例中，参照图1所示，从放大侧至缩小侧，光学投影系统包括：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、棱镜8、平板玻璃7和图像源6。
第一透镜1为塑胶非球面镜片，第一透镜1的第一面S1为凸面，第二面S2为凹面；第二透镜2的第一面S3为凸面，第二面S4面为凸面；第三透镜3的第一面S6面为凸面，第二面S7面为凸面；第四透镜4的第一面S7为凹面，第二面S8面为平面；第五透镜5的第一面S9面为凸面；第二面S10面为凸面。其中第二透镜2和第三透镜3胶合连接。
其中，光学投影系统的总有效焦距f00为5.58mm；光学投影系统光学总长L为48.72mm；第一透镜组10的有效焦距f11＝39.797mm；第二透镜组20的有效焦距f22＝12.305mm。第一透镜1的有效焦距f1＝8.993mm；第二透镜2的有效焦距f2＝16.724mm；第三透镜3的有效焦距f3＝12.428mm；第四透镜4的有效焦距f4＝11.481mm；第五透镜5的有效焦距f5＝11.387mm。
该光学投影系统适用于0.2”DMD，具体尺寸为4.6116*2.592mm，使用设计投射比为1.2-1.5，offset为0％。
在该具体的实施例中，该光学投影系统的具体参数如表一所示，其中参数包含各镜片的厚度、间距，各镜片的折射率Nd(Refractive index)，曲率半径R(Radius ofcurvature)以及各镜片的阿贝系数Vd(Abbe number)。
在该具体的实施例中，第一透镜1的两个表面均为非球面透镜，以及第五透镜5的两个表面均为非球面透镜。即第一透镜1的表面S1、S2和第五透镜5的表面S9、S10均为非球面，其中非球面满足以下公式：
其中：Z表示非球面上的点离非球面顶点在光轴方向的距离；r表示非表面上的点到光轴的距离；c表示非球面的中心曲率；k表示圆锥率；a4、a6、a8、a10表示非球面高次项系数。
其中第一透镜1和第五透镜5的各阶系数，如表二:
经过测量，得到的上述光学成像模组的各视场参数如图2至图7所示。
如图2所示为本实施例的调制传递函数图(modulation transfer function，MTF)。具体为光学投影系统的投影距离为1m时，对应的调制传递函数图(modulationtransfer function，MTF)，其中横轴为空间频率(Spatial Frequency in cycles per Ip/mm)，纵轴为OTF模量(Modulus of the OTF)。由图2可知，光学投影系统的投影距离为1m，空间频率在0mm-93mm的区间内，图像的OTF模值一直能够保持在0.6以上，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0.6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。
如图3所示为本实施例的调制传递函数图(modulation transfer function，MTF)。具体为光学投影系统的投影距离为0.5m时，对应的调制传递函数图(modulationtransfer function，MTF)，其中横轴为空间频率(Spatial Frequency in cycles per Ip/mm)，纵轴为OTF模量(Modulus of the OTF)。由图3可知，光学投影系统的投影距离为0.5m，空间频率在0mm-93mm的区间内，图像的OTF模值一直能够保持在0.6以上，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0.6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。
如图4所示为本实施例的调制传递函数图(modulation transfer function，MTF)。具体为光学投影系统的投影距离为3m时，对应的调制传递函数图(modulationtransfer function，MTF)，其中横轴为空间频率(Spatial Frequency in cycles per Ip/mm)，纵轴为OTF模量(Modulus of the OTF)。由图4可知，光学投影系统的投影距离为3m，空间频率在0mm-93mm的区间内，图像的OTF模值一直能够保持在0.6以上，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0.6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。
如图5所示，是光学投影系统的场曲图，由图可知，光学投影系统的场曲控制在-0.035-0.015，光学投影系统能够降低场曲。
如图6所示，是光学投影系统的畸变(Distortion)值图，由图可见，光学投影系统的畸变值被控制在-0.45％-0.05％(通常需小于<1％即可)，完全能满足人眼对畸变的要求。
如图7所示，是光学投影系统的色差图。从图中可以看出，最大视场为2.6451mm，色差值被控制在0.25μm-1.9μm之间，具有较高的图像色彩还原性。
上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
虽然已经通过示例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，以上示例仅是为了进行说明，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 (10)
1.一种光学投影系统，其特征在于，从放大侧至缩小侧依次包括：第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)和第五透镜(5)，其中所述第一透镜(1)和所述第二透镜(2)构成第一透镜组(10)，所述第三透镜(3)、第四透镜(4)和第五透镜(5)构成第二透镜组(20)，所述第一透镜组(10)的光焦度为负，所述第二透镜组(20)的光焦度为正。
2.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，从放大侧至缩小侧，所述光学投影系统的光焦度顺序为：负正/正负正。
3.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述光学投影系统满足以下关系：
5.2mm＜f00＜6.3mm，35.5mm＜f11＜45mm，10mm＜f22＜16.5mm；
其中，f00为光学投影系统的总有效焦距，f11为所述第一透镜组(10)的有效焦距，f22为所述第二透镜组(20)的有效焦距。
4.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述光学投影系统满足以下关系：5＜TL/D＜10.5；
其中，TL为光学投影系统的光学总长，D为光学投影系统中最大透镜的口径。
5.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述光学投影系统满足以下关系：7.0<f1<10.2，13.2<f2<20.1，8.1<f3<16.0，7.5<f4<17.1，6.5<f5<12.5；
其中，f1为所述第一透镜(1)的有效焦距，f2为所述第二透镜(2)的有效焦距，f3为所述第三透镜(3)的有效焦距，f4为所述第四透镜(4)的有效焦距，f5为所述第五透镜(5)的有效焦距。
6.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述第三透镜(3)和所述第四透镜(4)胶合连接。
7.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，
所述第一透镜(1)的第一面为凸面，所述第一透镜(1)的第二面为凹面；
所述第二透镜(2)的第一面和第二面均为凸面；
所述第三透镜(3)的第一面和第二面均为凸面；
所述第四透镜(4)的第一面为凹面，所述第四透镜(4)的第二面为平面；
所述第五透镜(5)的第一面和第二面均为凸面；其中，每一片透镜的第一面相对于其第二面更靠近放大侧设置。
8.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述第一透镜(1)和所述第五透镜(5)均为非球面透镜，所述第二透镜(2)、所述第三透镜(3)和所述第四透镜(4)均为球面透镜。
9.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述光学投影系统还包括光阑(9)，所述第二透镜(2)与所述第三透镜(3)之间设置有所述光阑(9)。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1-9任一项所述的光学投影系统。
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