CN114924457A - 一种超短焦光学系统及投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学投影设备技术领域，尤其涉及一种超短焦光学系统及投影设备，包括沿成像光轴方向依次间隔设置的后群镜组、中群镜组、前群透镜及反射镜；前群透镜及中群镜组分别可沿预设路径移动，预设路径与成像光轴方向平行，反射镜具有沿成像光轴方向间隔设置的第一折射面及第一反射面。本发明中的反射镜可实现折射面加反射面的效果。由此，本发明中的光学系统由于具有更短的长度、更少的镜片个数以及更小的镜片口径，进而可以实现缩减体积以及重量的效果。同时还可以保证最终由成像光线形成的画面具有更高的成像质量。

Description

一种超短焦光学系统及投影设备

技术领域

本发明涉及光学投影设备技术领域，尤其涉及一种超短焦光学系统及投影设备。

背景技术

随着投影技术的不断发展，投影仪已经广泛应用于家用、教育和办公等领域，其中，超短焦投影能够在短距离投影的情况下投射出大尺寸的画面，备受广大消费者的喜爱。相关技术中，超短焦光学系统的体积较大，降低了投影设备的便携性，并且现有的超短焦光学系统的成像质量较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种超短焦光学系统及投影设备，至少部分解决现有技术中存在的问题。

根据本发明的第一个方面，提供了一种超短焦光学系统，包括：

沿成像光轴方向依次间隔设置的后群镜组、中群镜组、前群透镜及反射镜；前群透镜及中群镜组分别可沿预设路径移动，预设路径与成像光轴方向平行，反射镜具有沿成像光轴方向间隔设置的第一折射面及第一反射面；

所述前群透镜的光焦度均为负，所述前群透镜包括第一前折射面及第二前折射面；

中群镜组包括：

沿成像光轴方向间隔设置的光焦度为正的中群子镜组及光焦度为负的第四中透镜，中群子镜组包括沿成像光轴方向相邻设置的光焦度均为正的第一中透镜、第二中透镜及第三中透镜；

后群镜组包括：

沿成像光轴方向依次相邻设置的光焦度均为正的第一后透镜及后三胶合镜组，后三胶合镜组包括沿成像光轴方向依次设置的第二后透镜、第三后透镜及第四后透镜，第二后透镜及第四后透镜的光焦度均为正，第三后透镜的光焦度均为负。

根据本发明的第二个方面，提供了一种投影设备，包括：

超短焦光学系统；以及

壳体，超短焦光学系统设置于壳体内。

本发明中的超短焦光学系统设置有沿成像光线的传播方向依次间隔设置的后群镜组、中群镜组、前群透镜及反射镜，且反射镜具有沿成像光轴方向间隔设置的第一折射面及第一反射面。

通过将反射镜设置为具有第一折射面及第一反射面的形式，可以使光线在进入反射镜时首先经过第一折射面的第一次折射，然后再由第一反射面将光线反射至第一折射面上，最后，再经第一折射面第二次折射后形成最终的成像光线。由此，相对于传统的反射镜而言，本发明中的反射镜通过将前表面改变为第一折射面，可以使进入反射镜的光线会再次经过两次折射，相当于在不增加光学元件的前提下，采用本发明的反射镜可实现折射面加反射面的效果。这不仅为校正光学系统像差提供了更多的自由度，而且还进一步提高了光学系统的成像能力，由此，相对于现有的光学系统，本发明的光学系统可以减少透镜的使用数量，有利于光学系统的长度的减小，进而减小光学系统的体积。

同时，在本发明的光学系统中的后群镜组中有一个三胶合透镜镜，也即后三胶合镜组，后三胶合镜组是由三个不同折射率和阿贝数的子透镜组合而成的，本发明中由第二后透镜、第三后透镜及第四后透镜三个子透镜组成的三胶合透镜，相对于现有的双胶合镜片和/或单镜片构成的光学系统而言，具有更好的光线调整（偏折）能力以及色差矫正能力，由此，本发明中通过三胶合镜片与剩余透镜之间配合，可以降低整个光学系统的色差，从而提升整个光学系统的成像质量。同时，三胶合透镜对整体光线具有更高的偏转与调整能力，在不影响整体成像质量的情况下，整个系统较于目前市面上同等条件的投影系统来说，透镜的个数会更少，同时配合其余的镜面的调整，可以在较短的距离内完整对成像光线的调整，由此，可以缩短本发明中光学系统的总长度。

另外，通过三胶合透镜镜与后群镜组中其他透镜之间的配合，可以使成像光线更加聚拢，由此，入射光线经过后群镜组后形成的成像光线对应形成的截面的面积更小，对应的可以减少后续透镜的镜片口径，由于，在实际的安装中反射镜的口径大小会主要影响到最终的投影设备的壳体的大小。所以，本发明的光学系统中由于成像光线更加聚拢，所以可以使用口径较小的反射镜，具体为，反射镜的口径为30mm。

由此，本发明中的光学系统由于具有更短的长度、更少的镜片个数以及更小的镜片口径，进而可以实现缩减体积以及重量的效果。

再次，由于前群透镜及中群镜组分别可沿预设路径移动，所以在后期的使用过程中可以通过移动前群透镜及中群镜组的位置，来对光学系统的成像光线进行调整补偿，其中，前群透镜主要用于补偿成像光线的TV畸变，中群镜组主要用于补偿成像光线的像差，同时，后三胶合镜组还可以降低成像光线的色差，由此，本发明的光学系统可以将最终由成像光线形成的画面，对应的色差、TV畸变以及像差同时调整至一个更佳的状态，进而保证最终由成像光线形成的画面具有更高的成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一实施例中超短焦光学系统的结构示意图。

图2为本发明一实施例中超短焦光学系统的TV畸变示意图。

图3为本发明一实施例中超短焦光学系统的MTF图。

附图标记：

10、第一后透镜；11、第二后透镜；12、第三后透镜；13、第四后透镜；20、第一中透镜；21、第二中透镜；22、第三中透镜；23、第四中透镜；31、第一前折射面；32、第二前折射面；40、第一折射面；41、第一反射面；50、光源组件；60、成像光轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

根据本发明的第一个方面，如图1所示，提供了一种超短焦光学系统，包括：

沿成像光轴60方向（也即图1中成像光轴60上的箭头所指的方向）依次间隔设置的后群镜组、中群镜组、前群透镜及反射镜；前群透镜及中群镜组分别可沿预设路径移动，预设路径与成像光轴60方向平行，反射镜具有沿成像光轴60方向间隔设置的第一折射面40及第一反射面41；

前群透镜的光焦度均为负，前群透镜包括光焦度均为正的第一前折射面31及第二前折射面32；

中群镜组包括：

沿成像光轴60方向间隔设置的光焦度为正的中群子镜组及光焦度为负的第四中透镜23，中群子镜组包括沿成像光轴60方向相邻设置的光焦度均为正的第一中透镜20、第二中透镜21及第三中透镜22；

后群镜组包括：

沿成像光轴60方向依次相邻设置的光焦度均为正的第一后透镜10及后三胶合镜组，后三胶合镜组包括沿成像光轴60方向依次设置的第二后透镜11、第三后透镜12及第四后透镜13，第二后透镜11及第四后透镜13的光焦度均为正，第三后透镜12的光焦度均为负。

本发明中由于前群透镜及中群镜组分别可沿预设路径移动，所以在后期的使用过程中可以通过移动前群透镜及中群镜组的位置，来对光学系统的成像光线进行调整补偿，其中，前群透镜主要用于补偿成像光线的TV畸变，中群镜组主要用于补偿成像光线的像差，同时，后三胶合镜组还可以降低成像光线的色差，由此，本发明的光学系统可以将最终由成像光线形成的画面，对应的色差、TV畸变以及像差同时调整至一个更佳的状态，进而保证最终由成像光线形成的画面具有更高的成像质量。

具体的，由图2至图3可知，本发明中的光学系统的OTF模值均可保证在0.65通常OTF模值大于0.5即可保证画面有很好的清晰度，由此可知本实施例中的光学系统在不同的投影尺寸下的成像画面均具有较高的清晰度，进而提高了成像质量。另外，通过上述调节方式还可以保证成像画面具有较小的TV畸变，具体为0.066%，由此可以降低失真度，进而保证整个成像画面具有更高的真实性以及画面质量。

本实施例中若镜面的面型满足偶次非球面，则对应的镜面面型可按照如下公式计算得到，具体的计算公式如下：

其中，Z为镜面深度值，即以各非球面与光轴交点为起点，平行于光轴方向的轴向值；c＝1/R，其中，R为镜面中心曲率半径，单位为mm，c为镜面中心曲率；r为镜面中心高度，单位为mm；当K系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当K系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当K系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当K系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当K系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α₁至α₈分别表示各径向坐标所对应的系数。

若镜面的面型满足非球面，则对应的镜面面型可按照如下公式计算得到，具体的计算公式如下：

其中，ρⁱ=xⁱ+yⁱ，其中，x与y代表坐标上取的连续的点对应的横纵坐标值，也即，每一个Z对应的横纵坐标值。非球面表达式中i仅为偶数，且最高项不超16。

前群透镜中的各镜面面型以及对应的面型参数如下：

第一前折射面31及第二前折射面32均为非球面，其面型参数满足如下条件：

其中，r为镜面中心高度，单位为mm，α₃至α₁₆分别表示各径向坐标所对应的系数。

中群镜组中的各镜面面型以及对应的面型参数如下：

第一中透镜20、第二中透镜21及第四中透镜23均为标准球面，第一中透镜20、第二中透镜21、第三中透镜22及第四中透镜23分别具有对应的第一面及第二面，第一面为靠近后群镜组的面，第二面为靠近前群透镜的面，第一中透镜20、第二中透镜21及第四中透镜23对应的镜面中心曲率半径R满足如下条件：

其中，R为镜面中心曲率半径，单位为mm。

第三中透镜22的第一面与第二面为偶次非球面，第三中透镜22的第一面与第二面的面型参数如下：

其中，R为镜面中心曲率半径，单位为mm，α₂至α₈分别表示各径向坐标所对应的系数。

后群镜组中的各镜面面型以及对应的面型参数如下：

第一后透镜10、第二后透镜11、第三后透镜12及第四后透镜13均为标准球面，第一后透镜10具有对应的第一面及第二面，第一面为靠近入射光线一侧的面，第二面为靠近中群镜组的面，后三胶合镜组沿成像光轴60方向依次具有第一胶合面、第二胶合面、第三胶合面及第四胶合面、第一后透镜10及后三胶合镜组对应的镜面中心曲率半径R满足如下条件：

其中，R为镜面中心曲率半径，单位为mm。

本发明中所有的透镜对应的折射率和阿贝数如下：

。

后三胶合镜组是由三个不同折射率和阿贝数的子透镜组合而成的，本发明中由第二后透镜11、第三后透镜12及第四后透镜13三个子透镜组成的三胶合透镜，相对于现有的双胶合镜片和/或单镜片构成的光学系统而言，具有更好的光线调整（偏折）能力以及色差矫正能力，由此，本发明中通过三胶合镜片与剩余透镜之间配合，可以降低整个光学系统的色差，从而提升整个光学系统的成像质量。同时，三胶合透镜对整体光线具有更高的偏转与调整能力，在不影响整体成像质量的情况下，整个系统较于目前市面上同等条件的投影系统来说，透镜的个数会更少，同时配合其余的镜面的调整，可以在较短的距离内完整对成像光线的调整，由此，可以缩短本发明中光学系统的总长度。

另外，通过三胶合透镜镜与第一后透镜10之间的配合，可以使成像光线更加聚拢，由此，入射光线经过后群镜组后形成的成像光线对应形成的截面的面积更小，对应的可以减少后续透镜的镜片口径，由于，在实际的安装中反射镜的口径大小会主要影响到最终的投影设备的壳体的大小。所以，本发明的光学系统中由于成像光线更加聚拢，所以可以使用口径较小的反射镜，具体为，反射镜的口径为30mm。

由此，本发明中的光学系统由于具有更短的长度、更少的镜片个数以及更小的镜片口径，进而可以实现缩减体积以及重量的效果。

反射镜中的各镜面面型以及对应的面型参数如下：

第一折射面40及第一反射面41为非球面，其面型参数满足如下条件：

其中，r为镜面中心高度，单位为mm，α₃至α₁₂分别表示各径向坐标所对应的系数。

第一反射面41包括第一子透射面及反射镀层，反射镀层设置于第一子透射面远离第一折射面40的一侧。第一折射面40上设置有透射膜（增透膜）。

本发明中的反射镜可以由透镜改造而成，具体的，可以将透镜对应的第一面与第二面设置为第一折射面40及第一反射面41对应的面型，其中，第一面为靠近前群透镜的面，第二面为远离前群透镜的面，将第一面设置为透明的面，同时，在第二面的外侧镀覆反射镀层即可。反射镀层的材质可以为银。另外，为了增加透光率可以在第一面外侧设置透射膜，透射膜可以为增透膜。

通过将反射镜设置为具有第一折射面40及第一反射面41的形式，可以使光线在进入反射镜时首先经过第一折射面40的第一次折射，然后再由第一反射面41将光线反射至第一折射面40上，最后，再经第一折射面40第二次折射后形成最终的成像光线。由此，相对于传统的反射镜而言，本发明中的反射镜通过将前表面改变为第一折射面40，可以使进入反射镜的光线会再次经过两次折射，相当于在不增加光学元件的前提下，采用本发明的反射镜即可实现双折射面加反射面的效果。这不仅为校正光学系统像差提供了更多的自由度，而且还进一步提高了光学系统的成像能力，由此，相对于现有的光学系统，本发明的光学系统可以减少透镜的使用数量，有利于光学系统的长度的减小，进而减小光学系统的体积。

根据本发明的第二个方面，提供了一种投影设备，包括：

如上述的超短焦光学系统；以及

壳体，超短焦光学系统设置于壳体内。还包括光源组件50，设置于壳体内，且光源组件50靠近第一前折射面31的一侧设置，用于使入射光线从第一前折射面31进入超短焦光学系统。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超短焦光学系统，其特征在于，包括：

沿成像光轴方向依次间隔设置的后群镜组、中群镜组、前群透镜及反射镜；所述前群透镜及中群镜组分别可沿预设路径移动，所述预设路径与所述成像光轴方向平行，所述反射镜具有沿成像光轴方向间隔设置的第一折射面及第一反射面；

所述前群透镜的光焦度均为负，所述前群透镜包括第一前折射面及第二前折射面；

所述中群镜组包括：

沿成像光轴方向间隔设置的光焦度为正的中群子镜组及光焦度为负的第四中透镜，所述中群子镜组包括沿成像光轴方向相邻设置的光焦度均为正的第一中透镜、第二中透镜及第三中透镜；

所述后群镜组包括：

沿所述成像光轴方向依次相邻设置的光焦度均为正的第一后透镜及后三胶合镜组，所述后三胶合镜组包括沿所述成像光轴方向依次设置的第二后透镜、第三后透镜及第四后透镜，所述第二后透镜及第四后透镜的光焦度均为正，所述第三后透镜的光焦度均为负。

2.根据权利要求1所述的一种超短焦光学系统，其特征在于，所述第一前折射面及第二前折射面均为非球面，其面型参数满足如下条件：

其中，r为镜面中心高度，单位为mm，α₃至α₁₆分别表示各径向坐标所对应的系数。

3.根据权利要求1所述的一种超短焦光学系统，其特征在于，所述第一中透镜、第二中透镜及第四中透镜均为标准球面，所述第一中透镜、第二中透镜、第三中透镜及第四中透镜分别具有对应的第一面及第二面，所述第一面为靠近所述后群镜组的面，所述第二面为靠近所述前群透镜的面，所述第一中透镜、第二中透镜及第四中透镜对应的镜面中心曲率半径R满足如下条件：

其中，R的单位为mm。

4.根据权利要求3所述的一种超短焦光学系统，其特征在于，所述第三中透镜的第一面与第二面为偶次非球面，所述第三中透镜的第一面与第二面的面型参数如下：

其中，α₂至α₈分别表示各径向坐标所对应的系数。

5.根据权利要求3所述的一种超短焦光学系统，其特征在于，所述第一后透镜、第二后透镜、第三后透镜及第四后透镜均为标准球面，所述第一后透镜具有对应的第一面及第二面，所述第一面为靠近入射光线一侧的面，所述第二面为靠近所述中群镜组的面，所述后三胶合镜组沿成像光轴方向依次具有第一胶合面、第二胶合面、第三胶合面及第四胶合面、所述第一后透镜及后三胶合镜组对应的镜面中心曲率半径R满足如下条件：

。

6.根据权利要求1所述的一种超短焦光学系统，其特征在于，所述第一折射面及第一反射面为非球面，其面型参数满足如下条件：

其中，r为镜面中心高度，单位为mm，α₃至α₁₂分别表示各径向坐标所对应的系数。

7.根据权利要求1所述的一种超短焦光学系统，其特征在于，所述第一反射面包括第一子透射面及反射镀层，所述反射镀层设置于所述第一子透射面远离第一折射面的一侧。

8.根据权利要求7所述的一种超短焦光学系统，其特征在于，所述第一折射面上设置有透射膜。

9.一种投影设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至权利要求8任意一项所述的超短焦光学系统；以及

壳体，所述超短焦光学系统设置于所述壳体内。

10.根据权利要求9所述的一种投影设备，其特征在于，还包括

光源组件，设置于所述壳体内，且所述光源组件靠近所述第一前折射面的一侧设置，用于使入射光线从所述第一前折射面进入所述超短焦光学系统。

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