CN115616743B - 一种光学投影系统及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学投影系统及电子设备，该光学投影系统从放大侧至缩小侧依次包括第一透镜组、光阑及第二透镜组；所述光学投影系统的物距值u与所述光学投影系统的光学总长度TTL的比值满足：0.8<u/TTL<2.5。本申请实施例提供的光学投影系统具有物距小、热稳定性高、畸变小、解析力高的优点。

Description

一种光学投影系统及电子设备

技术领域

本申请涉及光学设备技术领域，更具体地，涉及一种光学投影系统及电子设备。

背景技术

随着科学技术的蓬勃发展，投影技术已日趋成熟，投影设备的应用领域也变得愈来愈广，例如应用于会议讲解、巡回展示和促销活动等商业领域，应用于学校授课、学术讨论等教育领域，以及应用于家庭影院等家庭领域。近年来，抬头显示（HUD）功能越发成为一项重要的研究方向；而要实现抬头显示功能，则离不开抬头显示投射镜头。目前，市场上常见的抬头显示投射镜头大多结构形式复杂、成本较高、色差较大、热漂校正不好、系统稳定性较差，且总长较长从而不适合近距离成像，不能完全满足抬头显示投射镜头的要求。

有鉴于此，有必要提出一种新的技术方案，以至少解决上述技术问题之一。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种光学投影系统及电子设备的新技术方案。

根据本申请的第一方面，提供了一种光学投影系统，所述光学投影系统从放大侧至缩小侧依次包括：

第一透镜组、光阑及第二透镜组；

所述光学投影系统的物距值u与所述光学投影系统的光学总长度TTL的比值满足：0.8<u/TTL<2.5。

可选地，所述光学投影系统的光圈值FNO≥2.2。

可选地，所述第一透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜及第六透镜；所述第一透镜的光焦度为正，所述第二透镜的光焦度为负，所述第五透镜的光焦度为正，所述第六透镜的光焦度为正。

可选地，所述第三透镜与所述第四透镜胶合连接形成第一胶合透镜，所述第一胶合透镜的光焦度为负。

可选地，所述第一透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜及所述第六透镜均为球面透镜；所述第二透镜为非球面透镜。

可选地，所述第一透镜的焦距F1与所述光学投影系统的焦距EFL的比值满足：1.5<F1/EFL<2.5。

可选地，所述第二透镜的焦距F2与所述光学投影系统的焦距EFL的比值满足：1.5<F2/EFL<3。

可选地，所述第二透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第七透镜、第八透镜、第九透镜及第十透镜；所述第九透镜的光焦度为正，所述第十透镜的光焦度为正。

可选地，所述第七透镜与所述第八透镜胶合连接形成第二胶合透镜，所述第二胶合透镜的光焦度为负。

可选地，所述第七透镜、所述第八透镜及所述第十透镜均为球面透镜；所述第九透镜为非球面透镜。

根据本申请的第二方面，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。

本申请实施例提供的光学投影系统具有物距小、热稳定性高、畸变小、解析力高的优点。

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所示为本申请一种光学投影系统中实施例1的光路结构图；

图2a所示为本申请一种光学投影系统中实施例1在25℃的MTF曲线图；

图2b所示为本申请一种光学投影系统中实施例1在-40℃的MTF曲线图；

图2c所示为本申请一种光学投影系统中实施例1在85℃的MTF曲线图；

图3所示为本申请一种光学投影系统中实施例1的点列图；

图4所示为本申请一种光学投影系统中实施例1的场曲与畸变示意图；

图5所示为本申请一种光学投影系统中实施例1的垂轴色差图；

图6所示为本申请一种光学投影系统中实施例2的光路结构图；

图7a所示为本申请一种光学投影系统中实施例2在25℃的MTF曲线图；

图7b所示为本申请一种光学投影系统中实施例2在-40℃的MTF曲线图；

图7c所示为本申请一种光学投影系统中实施例2在85℃的MTF曲线图；

图8所示为本申请一种光学投影系统中实施例2的点列图；

图9所示为本申请一种光学投影系统中实施例2的场曲与畸变示意图；

图10所示为本申请一种光学投影系统中实施例2的垂轴色差图；

图11所示为本申请一种光学投影系统中实施例3的光路结构图；

图12a所示为本申请一种光学投影系统中实施例3在25℃的MTF曲线图；

图12b所示为本申请一种光学投影系统中实施例3在-40℃的MTF曲线图；

图12c所示为本申请一种光学投影系统中实施例3在85℃的MTF曲线图；

图13所示为本申请一种光学投影系统中实施例3的点列图；

图14所示为本申请一种光学投影系统中实施例3的场曲与畸变示意图；

图15所示为本申请一种光学投影系统中实施例3的垂轴色差图。

附图标记说明：

L1、第一透镜；L2、第二透镜；L3、第三透镜；L4、第四透镜；L5、第五透镜；L6、第六透镜；L7、第七透镜；L8、第八透镜；L9、第九透镜；L10、第十透镜；1、光阑；2、棱镜；3、显示芯片保护玻璃；4、显示芯片。

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。

参照图1、图6、图11所示，根据本申请的一个实施例，提供了一种光学投影系统，所述光学投影系统从放大侧至缩小侧依次包括第一透镜组、光阑1及第二透镜组；所述光学投影系统的物距值u与所述光学投影系统的光学总长度TTL的比值满足：0.8<u/TTL<2.5。

本申请实施例提供的光学投影系统还包括棱镜2、显示芯片保护玻璃3及显示芯片4；进一步具体地，棱镜2为等效转折棱镜，棱镜2用于将显示芯片4所发出的光线或者所反射出的光线传递到镜头中；显示芯片保护玻璃3用于保护显示芯片4免受外界污染物的影响；显示芯片4可以为数字微镜器件显示面板（DMD）、硅基液晶显示面板（LCOS）、液晶显示面板（LCD）等。可以理解为，所述显示芯片4为不同波长的激光光源或其他能发出光束的光源体。

本申请实施例提供的光学投影系统应用于投影装置；该光学投影系统沿光线传输方向包括缩小侧和放大侧，光学投影系统中的显示芯片4、显示芯片保护玻璃3、棱镜2、第二透镜组、光阑1及第一透镜组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（例如显示芯片4）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。但是在实际设计光学投影系统时，根据光路可逆原理，从实际的放大侧至缩小侧对光线进行模拟。

具体地，在实际的投影过程中，投影光线由显示芯片4发出，自缩小侧朝向放大侧发射，依次经过显示芯片保护玻璃3、棱镜2、第二透镜组、光阑1及第一透镜组，从而显示出投影图像。

本申请实施例中，作为图像源的显示芯片4可选用数字微镜元件（DigitalMicromirror Device，DMD）芯片。DMD是由许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系统成像在屏幕上。DMD具有分辨率高，信号无需数模转换等优点。当然，作为图像源的显示芯片4也可以选用硅上液晶（LiquidCrystal On Silicon，LCOS）芯片、液晶显示面板（Liquid Crystal Display，LCD）或其他可用于出射光线的显示元件，本申请对此不作限制。

在该实施例中，通过使光学投影系统的物距值u与光学投影系统的光学总长度TTL的比值满足：0.8<u/TTL<2.5，可以在确保成像画面质量的同时，尽可能使光学投影系统的总长度较短，且物距较短。该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安装和使用。亦即，在本申请实施例提供的光学投影系统中，将光学投影系统的物距值u与光学总长度TTL的比值限定在上述范围内，在缩小光学投影系统体积的情况下，提升了光学投影系统的成像效果。本申请实施例提供的光学投影系统，其具有物距短、畸变小、解析力高的优点。

在一个实施例中，所述光学投影系统的光圈值FNO≥2.2。

在该具体的例子中，将光学投影系统的光圈值FNO设定为FNO≥2.2，这样可以保证该光学投影系统具有足够的通光量，并且提高该光学投影系统的对比度。

在一个实施例中，所述第一透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5及第六透镜L6；所述第一透镜L1的光焦度为正，所述第二透镜L2的光焦度为负，所述第五透镜L5的光焦度为正，所述第六透镜L6的光焦度为正。所述第三透镜L3与所述第四透镜L4胶合连接形成第一胶合透镜，所述第一胶合透镜的光焦度为负。

在该具体的例子中，第一透镜L1的光焦度为正，其焦距f1满足以下范围：30mm＜f1＜40mm，第一透镜L1为玻璃材质；第二透镜L2的光焦度为负，其焦距f2满足以下范围：-20mm＜f2＜-10mm，第二透镜L2为玻璃材质；第三透镜L3与第四透镜L4胶合连接形成的第一胶合透镜的光焦度为负，第一胶合透镜的焦距f34满足以下范围：-35mm＜f34＜-25mm，第三透镜L3与第四透镜L4均为玻璃材质；第五透镜L5的光焦度为正，其焦距f5满足以下范围：25mm＜f5＜36mm，第五透镜L5为玻璃材质；第六透镜L6的光焦度为正，其焦距f6满足以下范围：23mm＜f6＜35mm，第六透镜L6为玻璃材质。

在该具体的例子中，通过以上各镜片材质和焦距的合理分配，可以有效降低镜头的各项像差；通过对各个透镜的光焦度进行合理搭配，从而确保整个光学投影系统的光焦度平衡。

进一步地，第一透镜L1为具有正光焦度的球面玻璃透镜，其物侧面S1为凸面、像侧面S2为凹面，第一透镜L1采用高折射率中色散玻璃有利于快速偏转光线，减少镜头前端口径和整体色差；第二透镜L2为具有负光焦度的非球面透镜，其物侧面S3为凹面、像侧面S4为凹面，第二透镜L2采用非球面的面型有利于降低畸变，采用玻璃材质有利于进一步降低畸变并提高温度稳定性；第三透镜L3为具有负光焦度的球面玻璃透镜，其物侧面S5为凹面、像侧面S6为凹面，第三透镜L3采用高折射率材质；第四透镜L4为具有正光焦度的球面玻璃透镜，其物侧面S7为凸面、像侧面S8为凸面；第三透镜L3与第四透镜L4组合成第一胶合透镜，胶合面为S6及S7；第三透镜L3采用低色散材质，第四透镜L4采用高色散材质，通过第三透镜L3与第四透镜L4的胶合能够有效减少色差和球差；第五透镜L5为具有正光焦度的球面玻璃透镜，其物侧面S9为凸面、像侧面S10为凸面；第六透镜L6为具有正光焦度的球面玻璃透镜，其物侧面S11为凸面、像侧面S12为凸面；光阑1可以控制镜头的通光孔径，并控制镜头前后端口径大小，光阑1设置于第六透镜L6与第七透镜L7之间，有利于降低主光线的入射角度。

在一个实施例中，所述第二透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9及第十透镜L10；所述第九透镜L9的光焦度为正，所述第十透镜L10的光焦度为正。所述第七透镜L7与所述第八透镜L8胶合连接形成第二胶合透镜，所述第二胶合透镜的光焦度为负。

在该具体的例子中，第七透镜L7为双凹负透镜，第八透镜L8为双凸透镜，第七透镜L7与第八透镜L8胶合连接形成的第二胶合透镜的光焦度为负，第二胶合透镜的焦距f78满足以下范围：-55mm＜f78＜-45mm，第七透镜L7与第八透镜L8均为玻璃材质；第九透镜L9的光焦度为正，其焦距f9满足以下范围：45mm＜f9＜55mm，第九透镜L9为玻璃材质；第十透镜L10的光焦度为正，其焦距f10满足以下范围：45mm＜f10＜55mm，由于光学投影系统在工作过程中，越接近发光光源处的温度越高，而第十透镜L10最靠近发光光源，因此采用热稳定性较好的玻璃材质。

在该具体的例子中，通过以上各镜片材质和焦距的合理分配，可以有效降低镜头的各项像差；通过对各个透镜的光焦度进行合理搭配，从而确保整个光学投影系统的光焦度平衡。

进一步地，第七透镜L7为具有负光焦度的球面玻璃透镜，其物侧面S13为凹面、像侧面S14为凹面；第八透镜L8为具有正光焦度的球面玻璃透镜，其物侧面S15为凸面、像侧面S16为凸面；第七透镜L7与第八透镜L8组合成第二胶合透镜，胶合面为S14及S15；第七透镜L7为低色散材质，第八透镜L8为高色散材质，通过第七透镜L7与第八透镜L8的胶合能够有效减少色差和球差；第九透镜L9为具有正光焦度的非球面透镜，其物侧面S17为凸面、像侧面S18为凸面，第九透镜L9采用非球面的面型有利于降低畸变，采用玻璃材质有利于进一步降低畸变并提高温度稳定性；第十透镜L10为具有正光焦度的球面玻璃透镜，其物侧面S19为凸面、像侧面S20为凹面。

综上所述，本申请实施例提供的光学投影系统采用球面透镜、非球面透镜相互匹配使用；其中，第二透镜L2和第九透镜L9采用非球面透镜，能够有效降低畸变和场曲像差，提升像质；第三透镜L3与第四透镜L4的胶合以及第七透镜L7与第八透镜L8的胶合能够有效降低色差，光阑1位于第六透镜L6和第七透镜L7之间，可以有效扩大入瞳直径、增大通光量。通过各个透镜材质和焦距的合理分配，能够有效降低镜头的各项像差。并且，该光学投影系统的热漂性能较好，在-40-85℃的环境下均可正常使用；该光学投影系统具有物距小、热稳定性高、畸变小、解析力高的优点。

进一步地，第二透镜L2和第九透镜L9的面型为偶数非球面面型，该面型曲线满足如下公式：

Z＝cy² /{1+[1-(1+k)c² y ² ] ^1/2}+a₁y ² +a₂y ⁴ +a₃y ⁶ +a₄y ⁸ +a₅y ¹⁰+a₆y ¹²+a₇y ¹⁴+a₈y ¹⁶；

其中，参数c为非球面的顶点曲率半径，y为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数。当k小于-1时，该面型曲线为双曲线；当k等于-1时，该面型曲线为抛物线；当k介于-1到0之间时，该面型曲线为椭圆；当k等于0时，该面型曲线为圆形；当k大于0时，该面型曲线为扁圆型曲线。a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数，通过以上参数可以精确设定透镜成像光学表面的非球面的形状尺寸。

在一个实施例中，所述第一透镜L1的焦距F1与所述光学投影系统的焦距EFL的比值满足：1.5<F1/EFL<2.5。

在一个实施例中，所述第二透镜L2的焦距F2与所述光学投影系统的焦距EFL的比值满足：1.5<F2/EFL<3。

上述比值有利于镜头快速收缩广角光束、减小前段口径。

实施例1：

参照图1所示，从放大侧至缩小侧，该光学投影系统依次设置有第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、光阑1、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10、棱镜2、显示芯片保护玻璃3及显示芯片4。

实施例1中涉及的各个参数如下表1a所示：

表1a

所述第二透镜L2及第九透镜L9的偶次非球面满足以下关系：

其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥二次曲线系数；αi表示第i次的非球面系数；参见以下表1b所示：

表1b

实施例1中的各项主要参数参见如下表1c所示：

表1c

实施例1中光学投影系统的MTF曲线图、点列图、场曲畸变、垂轴色差分别如图2（图2a、图2b、图2c）、图3、图4、图5所示。该光学投影系统的热稳定性良好，-45℃-85℃时全视场在66lp/mm处MTF值大于0.4，425℃时全视场在66lp/mm处MTF值大于0.6。图3、图4和图5显示实施例1中光学投影系统的点列图最大直径3.8um，场曲<0.06mm，光学畸变<1.2%，垂轴色差<1.6um，各项像差得到了非常好的校正。

实施例2：

参照图6所示，从放大侧至缩小侧，该光学投影系统依次设置有第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、光阑1、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10、棱镜2、显示芯片保护玻璃3及显示芯片4。与实施例1相比，实施例2中的光学投影系统的光圈值有所增大，成像像圆尺寸有所减小，以适配小尺寸芯片，该光学投影系统的整体体积略有降低。

实施例2中涉及的各个参数如下表2a所示：

表2a

所述第二透镜L2及第九透镜L9的偶次非球面满足以下关系：

其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥二次曲线系数；αi表示第i次的非球面系数；参见以下表2b所示：

表2b

实施例2中的各项主要参数参见如下表2c所示：

表2c

实施例2中光学投影系统的MTF曲线图、点列图、场曲畸变、垂轴色差分别如图7（图7a、图7b、图7c）、图8、图9、图10所示。从图7可以看出实施例2中的光学投影系统具有很高的解析力，该光学投影系统的热稳定性良好，-45℃-85℃时全视场在66lp/mm处MTF值大于0.4，425℃时全视场在66lp/mm处MTF值大于0.6。图8、图9和图10显示实施例2中光学投影系统的点列图最大直径3.8um，场曲<0.08mm，光学畸变<1.2%，垂轴色差<1.6um，各项像差得到了非常好的校正。

实施例3：

参照图11所示，从放大侧至缩小侧，该光学投影系统依次设置有第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、光阑1、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10、棱镜2、显示芯片保护玻璃3及显示芯片4。与实施例1相比，实施例3中的光学投影系统的投影距离有所增大，成像像圆尺寸有所增大，以适配大尺寸芯片，该光学投影系统的整体体积略有增加。

实施例3中涉及的各个参数如下表3a所示：

表3a

所述第二透镜L2及第九透镜L9的偶次非球面满足以下关系：

其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥二次曲线系数；αi表示第i次的非球面系数；参见以下表3b所示：

表3b

实施例3中的各项主要参数参见如下表3c所示：

表3c

实施例3中光学投影系统的MTF曲线图、点列图、场曲畸变、垂轴色差分别如图12（图12a、图12b、图12c）、图13、图14、图15所示。从图12可以看出实施例3中的光学投影系统具有很高的解析力，该光学投影系统的热稳定性良好，-45℃-85℃时全视场在66lp/mm处MTF值大于0.4，425℃时全视场在66lp/mm处MTF值大于0.6。图13、图14和图15显示实施例3中光学投影系统的点列图最大直径4.2um，场曲<0.06mm，光学畸变<1.2%，垂轴色差<1.5um，各项像差得到了非常好的校正。

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 (6)

1.一种光学投影系统，其特征在于，所述光学投影系统从放大侧至缩小侧依次包括：

第一透镜组、光阑（1）及第二透镜组；

所述光学投影系统的物距值u与所述光学投影系统的光学总长度TTL的比值满足：0.8<u/TTL<2.5；

所述第一透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜（L1）、第二透镜（L2）、第三透镜（L3）、第四透镜（L4）、第五透镜（L5）及第六透镜（L6）；所述第一透镜（L1）的光焦度为正，所述第二透镜（L2）的光焦度为负，所述第五透镜（L5）的光焦度为正，所述第六透镜（L6）的光焦度为正；所述第三透镜（L3）与所述第四透镜（L4）胶合连接形成第一胶合透镜，所述第一胶合透镜的光焦度为负；

所述第二透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第七透镜（L7）、第八透镜（L8）、第九透镜（L9）及第十透镜（L10）；所述第九透镜（L9）的光焦度为正，所述第十透镜（L10）的光焦度为正；所述第七透镜（L7）与所述第八透镜（L8）胶合连接形成第二胶合透镜，所述第二胶合透镜的光焦度为负；

所述第一透镜（L1）的焦距F1与所述光学投影系统的焦距EFL的比值满足：1.5<F1/EFL<2.5。

2.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述光学投影系统的光圈值FNO≥2.2。

3.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（L1）、所述第三透镜（L3）、所述第四透镜（L4）、所述第五透镜（L5）及所述第六透镜（L6）均为球面透镜；所述第二透镜（L2）为非球面透镜。

4.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述第二透镜（L2）的焦距F2与所述光学投影系统的焦距EFL的比值满足：1.5<F2/EFL<3。

5.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述第七透镜（L7）、所述第八透镜（L8）及所述第十透镜（L10）均为球面透镜；所述第九透镜（L9）为非球面透镜。

6.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1-5中任一项所述的光学投影系统。

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