CN116107138A - 一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，涉及光学系统领域，针对超短焦显示系统设计中无法在保证像质的前提下同时兼顾小投射比、低偏置量的问题，本发明在出光口采用自由曲面窗口玻璃，使整个系统的相对照度均在80%以上，有效提高整个画面的亮度均匀性，实现低偏置量的超短焦显示，采用折反混合系统，反射系统应用曲面反射，通过采用多胶合镜、玻璃球面镜、塑胶非球面镜混合的方案，结合不同的反射面形态和出射面的曲率控制，可以有效平衡镜组间的像差，降低系统的敏感度，缩小投射比实现了低偏置量、小投射比的超短焦显示系统。

Description

一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统

技术领域

本发明涉及光学系统领域，尤其涉及一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统。

背景技术

近年来，投影技术不断升级，超短焦投影开始走俏市场，随着超短焦投影逐步被应用到各行各业中，对于超短焦投影显示的要求也在不断提高。镜头作为投影显示中的核心技术之一，从设计到加工难度都比较高，尤其是在保证像质的前提下同时兼顾成本、小投射比、低偏置量（offset），是镜头设计中的一大难点。

目前的出光口采用平面玻璃镜，出光口位置光线最大入射角度会超过70度，甚至达到80度，使得透过率降低，整个画面均匀性会下降到50%，这就会导致两侧的能量损失过大，画面两个底角出现暗角，影响产品的应用场景，导致小投射比，低偏置量超短焦系统难以实现。

因此亟需设计出既可以保证画面质量又实现小投射比、低偏置量的超短焦显示系统，进一步提升产品性能。

发明内容

针对显示系统设计中无法在保证像质的前提下同时兼顾小投射比、低偏置量的问题，本发明提出采用多胶合镜、玻璃非球面、塑胶非球混合的方案，重点在分镜组加入了胶合透镜，有效补偿了镜头各群组的色差，降低了通常在后群镜组补偿的难点，结合不同的反射面形态和出射面的曲率控制，可以有效平衡镜组间的像差，降低系统的敏感度，实现小体积下，更短的投射比。

本发明提出一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，具体包括折射系统、反射系统和在出射光口设置的自由曲面窗口玻璃，入射光透过折射系统后，再经反射系统反射，通过自由曲面窗口玻璃后出射，

所述折射系统包含一个由3个玻璃球面透镜组成的三胶合透镜和一个由2个玻璃球面透镜组成的双胶合透镜，所述三胶合透镜和双胶合透镜共同实现对光学镜头中的轴向色差、垂轴色差的校正，

所述反射系统包含一个自由曲面反射镜，用于增强边缘光线的矫正，

所述自由曲面窗口玻璃用于提升画面的亮度均匀性。

进一步的，所述折射系统从出光口到入光口方向依次为：第1透镜、第2透镜、第3透镜、第4透镜、第5透镜、第6透镜、第7透镜、第8透镜、第9透镜、第10透镜，均为玻璃球面镜，第11透镜、第12透镜、第13透镜，均为塑胶非球面镜，其中第3透镜、第4透镜、第5透镜组成三胶合透镜，第8透镜、第9透镜组成双胶合透镜。

进一步的，所述第5透镜与第6透镜之间设有孔径光阑，且所述孔径光阑与第6透镜贴合。

进一步的，所述折射系统的参数为：

第3透镜与第5透镜的阿贝数相近，选取范围在50~90；

第4透镜的阿贝数范围在50~90，厚度范围在0.5~2mm；

第8透镜与第9透镜的阿贝数相近，选取范围在0~65。

进一步的，所述折射系统从第1透镜到第13透镜方向的透镜的光焦度分配分别为正、正、正、负、正、正、正、负、正、正、负、负、负，折射系统总的光焦度为正光焦度，反射系统总的光焦度为正光焦度。

进一步的，所述第1透镜前还依次设置有影像偏置镜、照明棱镜和光阀。

进一步的，所述折射系统的总长度为L1，折射系统和反射系统之间的间距为L2，满足条件：0.2<L1/L2<1.7。

进一步的，所述折射系统和反射系统组成的系统的等效焦距为F1，折射系统的等效焦距为F2，反射系统的等效焦距为F3，满足条件：1.5<|F2/F1|<7，2<|F3/F1|<7。

进一步的，所述光阀到第1透镜的距离BFL，满足条件：0.05<BFL/(L1+L2)<0.5。

进一步的，自由曲面窗口玻璃采用曲面玻璃，曲率半径为R，满足条件：50 mm<R<2000mm。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

其一，本发明通过在出光口采用自由曲面窗口玻璃，使整个系统的相对照度均在80%以上，有效提高整个画面的亮度均匀性，实现低偏置量的超短焦显示；

其二，本发明采用折反混合系统，反射系统应用曲面反射，通过采用多胶合镜、玻璃球面镜、塑胶非球面镜混合的方案，结合不同的反射面形态和出射面的曲率控制，可以有效平衡镜组间的像差，降低系统的敏感度，缩小投射比，实现小投射比的超短焦显示；

其三，本发明通过在分镜组加入了胶合透镜，有效补偿了镜头各群组的色差，在减小畸变的同时提高成像质量，用较小的体积提升了镜头性能；

其四，本发明技术方案整体结构紧凑，通过光阀、球面透镜、胶合透镜、反射镜以及合理的材料搭配实现了低偏置量、小投射比和高分辨率的成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。

图1为超短焦显示系统的结构示意图；

图2为折射系统的结构示意图；

图3为超短焦显示系统成像画面的TV畸变图；

图4为成像画面上不同视场条件下的光斑spot点；

图5为光线MTF图；

图6为相对照度图。

附图标记：

1、折射系统；101、第1透镜；102、第2透镜；103、第3透镜；104、第4透镜；105、第5透镜；106、第6透镜；107、第7透镜；108、第8透镜；109、第9透镜；1010、第10透镜；1011、第11透镜；1012、第12透镜；1013、第13透镜；11、三胶合透镜；12、双胶合透镜；2、反射系统；21、自由曲面反射镜；3、自由曲面窗口玻璃；4、孔径光阑；5、光阀；6、照明棱镜；7、影像偏置镜。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而该些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本发明明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本发明的保护范围的理解。

下面结合附图（表）对本发明的具体实施方式做出说明。

图1为超短焦显示系统的结构示意图，包括折射系统1、反射系统2、自由曲面窗口玻璃3、孔径光阑4、光阀5、照明棱镜6、影像偏置镜7。

本发明公开了一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，对超短焦显示系统设计中无法在保证像质的前提下同时兼顾小投射比、低偏置量的问题，本发明在出光口采用自由曲面窗口玻璃3，使整个系统的相对照度均在80%以上，有效提高整个画面的亮度均匀性，实现低偏置量的超短焦显示，采用折反混合系统，反射系统2应用曲面反射，通过采用多胶合镜、玻璃球面镜、塑胶非球面镜混合的方案，结合不同的反射面形态和出射面的曲率控制，可以有效平衡镜组间的像差，降低系统的敏感度，缩小投射比实现了低偏置量小投射比的超短焦显示系统。

一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统包括折射系统1、反射系统2和在出射光口设置的自由曲面窗口玻璃3，入射光经过折射系统1，再经反射系统2反射，最终从自由曲面窗口出射。

折射系统1包含一个由3个玻璃球面镜组成的三胶合透镜11和一个由2个玻璃球面组成的双胶合透镜12，所述三胶合透镜11和双胶合透镜12共同实现对光学镜头中的轴向色差、垂轴色差的校正。

具体的，折射系统1从出光口到入光口方向依次为：第1透镜101、第2透镜102、第3透镜103、第4透镜104、第5透镜105、第6透镜106、第7透镜107、第8透镜108、第9透镜109、第10透镜1010，均为玻璃球面镜，第11透镜1011、第12透镜1012、第13透镜1013，均为塑胶非球面镜，其中第3透镜103、第4透镜104、第5透镜105组成三胶合透镜11，第8透镜108、第9透镜109组成双胶合透镜12，第5透镜105与第6透镜106之间设有孔径光阑4，且所述孔径光阑4与第6透镜106贴合。

所述反射系统2包含一个自由曲面反射镜21，通过反射面缩短整个系统的长度，增强边缘光线的矫正，

所述自由曲面窗口玻璃3用于提升画面的亮度均匀性，自由曲面窗口玻璃3采用曲面玻璃，玻璃的形状可以为：球面，非球面，自由曲面形状玻璃，自由曲面窗口玻璃3的曲率半径为R，满足条件：50 mm<R<2000mm。

本发明所有透镜组及反射镜均为同一光轴，其中双胶合透镜12、三胶合透镜11主要对光学镜头中的轴向色差、垂轴色差进行校正。

图2为本发明折射系统结构示意图。在折射系统1中，第3~5透镜组成的三胶合透镜11为核心元件，其进行像差校正的同时，合理地选用玻璃材料及光焦度分配会对像差及可加工性进行有效平衡：

三胶合透镜11主要用于校正色差，宜选用阿贝数相差较大的材料进行搭配，其中第5透镜的阿贝数或色散系数Vd值选取的尽可能同第3透镜阿贝数相近50~90，实际应用中取值比如为81.5，同时由于第4透镜104分配负光焦度，选择阿贝数在50~90范围材料，可以有效降低材料对蓝光的吸收，提高镜头效率。第5透镜105分配正光焦度，并选用折射率更大的材料，通过对第4透镜的高折射率负光焦度进行中和，减小镜头的球差、彗差、像散等像差。通常情况下，折射率越高，对蓝光的吸收越厉害，光透过率会降低，所以第4透镜104的厚度需要设计上控制在0.5~2mm，抑制透过率的降低，实际应用中第4透镜 nd 取值1.90，阿贝数31.42；

第8、9透镜组成双胶合透镜12，其中第8透镜108/第9透镜109的Vd值在<65，这样选值的原因是镜头剩余色差较小，需要选取阿贝数比较接近的材料进行搭配。实际应用中，第8透镜108和第9透镜109的Vd值分别取值在64.2，50.2，通过将第8、第9透镜设计为双凹和弯月的负光焦度配合，对第6，7透镜凸正光焦度产生正负色差来实现有效的校正作用。

第11、12、13透镜为塑胶非球面，使用的折射率和阿贝数都比较适中的材料，主要作用是进一步平衡像差和矫正TV畸变作用。

光学系统中透镜的光焦度会直接影响到像散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差，因此不同的正负光焦度搭配也会对像差校正起到一定作用。

本发明中透镜的光焦度分配为正、正、正、负、正、正、正、负、正、正、负、负、负；本发明中，折射透镜组总的光焦度为正光焦度。

本发明技术方案中，折射系统1和反射系统2产生正的屈光度，正的屈光度是能够成像的基本条，折射系统1的总长度为L1，即从第1透镜101至第13透镜1013的距离，折射系统1和自由曲面反射镜21之间的间距为L2，并符合条件式：0.2<L1/L2<1.7，以缩小体积。

本发明技术方案中，折射系统1和反射系统2组成的系统的等效焦距长为F1，折射系统1的等效焦距长为F2，反射系统2的等效焦距长为F3，且满足条件式：1.5<|F2/F1|<7，2<|F3/F1|<7。

本发明技术方案中，第1透镜101前还依次设置有影像偏置镜7、照明棱镜6和光阀5，光阀5为DMD芯片或LCOS芯片，可以提供高分辨率的映像光束；照明棱镜6为TIR全反射棱镜，在实现折叠光路，缩小系统体积的同时，还可提高光阀5进入镜头的光线的亮度和对比度；影像偏置镜7可以提升光束分辨率。

光阀5到第1透镜101的距离即镜头的后工作距离，记为 BFL，并符合条件式：0.05<BFL/(L1+L2)<0.5，以满足镜头超短焦特性。

本发明技术方案为一个二次成像架构，光阀5的像素面为物面，反射光束通过折射系统1后，在反射系统2和折射系统1之间进行第一次成像（光束形成会聚点一次即为一次成像），第一次成像经自由曲面反射后，再经过自由曲面窗口玻璃3匀光后，在屏幕上形成二次无畸变，亮度均匀的图像，进行了二次成像，在投影屏幕上显示大尺寸的投影图像。

本发明技术方案整体机构紧凑，通过光阀5、玻璃球面透镜、塑胶非球面透镜、胶合透镜、反射镜以及合理的材料搭配实现了高分辨率的成像质量的同时，加入自由曲面窗口玻璃匀光，整个画面的相对照度均匀性有了大幅度提高。

实施例1

本实施例超短焦显示系统包括：影像偏置镜7，折射系统1和反射系统2构成的超短焦投影镜头，提供映像光束的光阀5，超短焦投影镜头将光阀5的映像光束投射到屏幕形成成像。

其中，折射系统1共包含13片透镜，其中有3个塑胶非球面透镜和10个玻璃球面镜组成，且其中包含一个双胶合透镜12和一个三胶合透镜11，自由曲面反射镜21的第一面为反射面。

本实施例超短焦显示系统中光阀5到第1透镜101的距离即镜头的后工作距离，记为 BFL，并符合条件式：0.05<BFL/(L1+L2)<0.5，以满足镜头超短焦特性。

本实施例中超短焦显示系统中，光阀5的像素面相对光轴的偏置量满足关系式：110%<offset<140%，在保证画面质量的同时实现了更低的偏置量（offset）。

本投影镜头的投影画面为100英寸时，其反射系统2距离屏幕的直线距离与投影画面的长度直线关系：投影距离/屏幕长度尺寸≤0.21，即投射比。

实施例2

本实施例中，超短焦显示系统结构参数满足如下条件：长度为133mm，偏置量为110%<offset<145%，解像力为93lp/mm，投射画面为80-120英寸，透射比为0.18，光圈可变F2.1-F2.8。图3-图6均为该实施例中相关像质评价图。

图3为超短焦显示系统成像画面的TV畸变图。TV畸变图显示实际拍摄图像时的变形程度，通过Zemax软件获取TV畸变，从图中示意数据可看到，当投影画面为100英寸时，其TV畸变最大值为0.0245%，而通常的要求为TV畸变小于0.5%，展现出本发明显示系统的优质的成像效果。

图4为成像画面上不同视场条件下的光斑spot点，图中示意为在归一化的不同视场条件前提下，三种不同波长光线（0.45μm、0.55μm、0.62μm）分别在某一视场条件下屏幕上的点光斑成像示意图。

图5为光线MTF图，图中所示为三种波长光线（0.45μm、0.55μm、0.62μm）不同要求下的成像质量，其中横坐标代表的线对数，纵坐标代表的是解像能力，其中纵坐标的值越高，代表解像能力越强，像质还原度越高，当MTF大于0.5时，代表成像质量非常清晰。

图6为相对照度图，图中横坐标代表的是视场高度，纵坐标代表相对照度。相对照度指的是不同视场位置的亮度与中心亮度的比值，其中相对照度的值越靠近1，这代表整体的亮度分布越均，本实施例边缘相对照度大于0.8，且中心到边缘的相对照度过度比较平滑，因此不会出现投影边缘有肉眼可见的暗角。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，其特征在于，包括折射系统（1）、反射系统（2）和在出射光口设置的自由曲面窗口玻璃（3），入射光透过折射系统（1）后，再经反射系统（2）反射，通过自由曲面窗口玻璃（3）后出射，

所述折射系统（1）包含一个由3个玻璃球面透镜组成的三胶合透镜（11）和一个由2个玻璃球面透镜组成的双胶合透镜（12），所述三胶合透镜（11）和双胶合透镜（12）共同实现对光学镜头中的轴向色差、垂轴色差的校正，

所述反射系统（2）包含一个自由曲面反射镜（21），用于增强边缘光线的矫正，

所述自由曲面窗口玻璃（3）用于提升画面的亮度均匀性。

2.根据权利要求1所述的一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，其特征在于，所述折射系统（1）从出光口到入光口方向依次为：第1透镜（101）、第2透镜（102）、第3透镜（103）、第4透镜（104）、第5透镜（105）、第6透镜（106）、第7透镜（107）、第8透镜（108）、第9透镜（109）、第10透镜（1010），均为玻璃球面镜，第11透镜（1011）、第12透镜（1012）、第13透镜（1013），均为塑胶非球面镜，其中第3透镜（103）、第4透镜（104）、第5透镜（105）组成三胶合透镜（11），第8透镜（108）、第9透镜（109）组成双胶合透镜（12）。

3.根据权利要求2所述的一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，其特征在于，所述第5透镜（105）与第6透镜（106）之间设有孔径光阑（4），且所述孔径光阑（4）与第6透镜（106）贴合。

4.根据权利要求2所述的一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，其特征在于，所述折射系统（1）的参数为：

第3透镜（103）与第5透镜的阿贝数相近，选取范围在50~90；

第4透镜（104）的阿贝数范围在50~90，厚度范围在0.5~2mm；

第8透镜（108）与第9透镜（109）的阿贝数相近，选取范围在0~65。

5.根据权利要求2所述的一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，其特征在于，所述折射系统（1）从第1透镜（101）到第13透镜（1013）方向的透镜的光焦度分配分别为正、正、正、负、正、正、正、负、正、正、负、负、负，折射系统（1）总的光焦度为正光焦度，反射系统（2）总的光焦度为正光焦度。

6.根据权利要求2所述的一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，其特征在于，所述第1透镜（101）前还依次设置有影像偏置镜（7）、照明棱镜（6）和光阀（5）。

7.根据权利要求6所述的一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，其特征在于，所述折射系统（1）的总长度为L1，折射系统（1）和反射系统（2）之间的间距为L2，满足条件：0.2<L1/L2<1.7。

8.根据权利要求1所述的一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，其特征在于，所述折射系统（1）和反射系统（2）组成的系统的等效焦距为F1，折射系统（1）的等效焦距为F2，反射系统（2）的等效焦距为F3，满足条件：1.5<|F2/F1|<7，2<|F3/F1|<7。

9.根据权利要求7所述的一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，其特征在于，所述光阀（5）到第1透镜（101）的距离BFL，满足条件：0.05<BFL/(L1+L2)<0.5。

10. 根据权利要求1所述一种低偏置量小投射比的超短焦显示系统，其特征在于，自由曲面窗口玻璃（3）采用曲面玻璃，曲率半径为R，满足条件：50 mm <R<2000mm。

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