CN215340674U - 超短焦投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种超短焦投影光学系统，超短焦投影光学系统具有光轴，超短焦投影光学系统包括：沿光轴在物侧和像侧之间依次设置的第一镜片、第二透镜组、第三透镜组和投影显示装置，孔径光阑位于第二透镜组和第三透镜组之间，第一镜片为玻璃非球面反射镜，第一镜片包括从物侧到像侧依次设置的外光学面和内光学面，外光学面为向物侧凸出的反射面，内光学面为向物侧凹陷的透射面，投影显示装置出射的投影光线经内光学面入射至外光学面，并经外光学面反射后经内光学面出射。本申请提供的超短焦投影光学系统通过第一镜片能够对投影光线进行有效的整形校正，提高了整个系统的分辨率，且第一镜片处增加了光程，从而可减小透镜数量，使得整个系统更加简洁。

Description

超短焦投影光学系统

技术领域

本申请涉及光学系统技术领域，具体涉及一种超短焦投影光学系统。

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。目前市场上的超短焦投影镜头通常采用折射透镜组和反射透镜组组成的混合式架构，反射透镜组一般由多片反射镜组成，然后通过反射镜反复折转光路实现压缩投影距离的目的，然而这种混合式架构的体积大，使用镜片数量多，对于加工和组装精度要求极高，这无疑给光学设计增加了更多的难度，亟待进行改善。

实用新型内容

本申请的目的在于提出一种超短焦投影光学系统，以解决上述问题。本申请通过以下技术方案来实现上述目的。

本申请实施例提供了一种超短焦投影光学系统，超短焦投影光学系统具有光轴，超短焦投影光学系统包括：沿光轴在物侧和像侧之间依次设置的第一镜片、第二透镜组、第三透镜组和投影显示装置，孔径光阑位于第二透镜组和第三透镜组之间，第一镜片为玻璃非球面反射镜，第一镜片包括从物侧到像侧依次设置的外光学面和内光学面，外光学面为向物侧凸出的反射面，内光学面为向物侧凹陷的透射面，投影显示装置出射的投影光线经内光学面入射至外光学面，并经外光学面反射后经内光学面出射。

在一种实施方式中，外光学面镀有反射膜，内光学面镀有增透膜。

在一种实施方式中，反射膜的反射率大于95％。

在一种实施方式中，投影显示装置具有投影像发射面，在光轴上，外光学面到投影像发射面的距离为L，外光学面到第二透镜组的出射面的距离为D，且满足

在一种实施方式中，在光轴上，外光学面到孔径光阑的距离为L1，孔径光阑到第三透镜组的入射面的距离为L2，且满足

在一种实施方式中，第一镜片具有位于中心视场的第一实焦点，在光轴上，第一实焦点到外光学面的距离为L3，且满足L3≥2mm。

在一种实施方式中，第一镜片具有位于边缘视场的第二实焦点，在光轴上，第二实焦点到外光学面的距离为L4，且满足L4≥2mm。

在一种实施方式中，第二透镜组包括从物侧到像侧依次设置的第二透镜、第三透镜和第四透镜，第二透镜为凹透镜，第三透镜为凸透镜，第四透镜为非球面透镜。

在一种实施方式中，第二透镜和第三透镜胶合为一体。

在一种实施方式中，第三透镜组包括从物侧到像侧依次设置的第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜和第十三透镜，第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜和第十三透镜均为球面透镜。

在一种实施方式中，超短焦投影光学系统的投射比为：0.19:1-0.30:1。

相较于现有技术，本申请实施例提供的超短焦投影光学系统包括第一镜片、第二透镜组、第三透镜组和投影显示装置，第一镜片为玻璃非球面反射镜，第一镜片包括外光学面和内光学面，且外光学面为向物侧凸出的反射面，内光学面为向物侧凹陷的透射面，使得入射至第一镜片的投影光线会被非球面的内光学面整形，再被非球面的外光学面整形，然后再被内光学面折射整形出射，相当于在第一镜片处增加了光程，从而可减小透镜数量，使得整个光学系统更加简洁，降低组装难度，且第一镜片能够对投影光线进行有效的整形校正，提高了系统分辨率；另一方面，第一镜片采用玻璃非球面反射镜，具有较好的热稳定性，能够避免在高光照的情况下出现热失焦现象。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本申请实施例提供的超短焦投影光学系统的光路图。

图2是本申请实施例提供的超短焦投影光学系统的结构示意图。

图3是本申请实施例提供的超短焦投影光学系统的调制传递函数表现图。

图4(a)是本申请实施例提供的超短焦投影光学系统的纵向球差值曲线图。

图4(b)是本申请实施例提供的超短焦投影光学系统的像散曲线图。

图4(c)是本申请实施例提供的超短焦投影光学系统的畸变曲线图。

图5是本申请实施例提供的超短焦投影光学系统的系统点列图。

图6是本申请实施例提供的超短焦投影光学系统的横向色差曲线图。

图7是本申请实施例提供的超短焦投影光学系统的相对照度曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

目前，目前市场上的超短焦投影镜头通常有两种设计方式：第一种是折射式的反远距镜头结构，该镜头结构体积大，使用镜片数量较多，为了校正畸变和场曲，不得不牺牲分辨率，导致分辨率偏低，制造公差敏感，无法批量量产。另外，这种镜头结构的缺点是在做小投射比的超广角镜头时，光学系统复杂，镜片多，透过率低，为了保证分辨率，甚至需要超大口径的非球面透镜，模具成本极高，无法批量量产。第二种是折射透镜组件加反射透镜组的混合式结构，目前采用这种结构的超短焦镜头普遍分辨率和投射比小，且亮度低，投射距离变化时场曲和畸变明显变大，导致解像力变差，并且投射距离的范围较小，虽然少数镜头的分辨率达到了1080P，但是为了提高分辨率，却牺牲了投射比，并增加较多的非球面，导致制造良率低，无法批量生产；也有少部分镜头结构为了降低成本，采用塑料非球面透镜，在高流明、长时间的使用下会有严重的热虚焦的问题。

另外，这两种设计方式通常都会用到非球面反射镜，该非球面反射镜的生产主要是通过注塑成型，并在所需要使用的光学面上镀铝或镀银做反射膜，这样会浪费与该光学面相背的另外一个光学面。

针对上述技术问题，本申请提出了一种全玻璃镜片的超短焦投影光学系统，包括第一镜片、第二透镜组、第三透镜组和投影显示装置，第一镜片为玻璃非球面反射镜，第一镜片包括外光学面和内光学面，且外光学面为向物侧凸出的反射面，内光学面为向物侧凹陷的透射面，使得入射至第一镜片的投影光线会被非球面的内光学面整形，再被非球面的外光学面整形，然后再被内光学面折射整形出射，相当于在第一镜片处增加了光学自由度，从而可减小透镜数量，使得整个光学系统更加简洁，且在做小投射比超广角镜头时整个系统的分辨率更高；同时，第一镜片采用玻璃非球面反射镜，能够避免在高光照的情况下出现热失焦现象。

需要说明的是，本申请提出的超短焦投影光学系统可以应用家用、教育、办公和工程等领域的投影系统中，本申请对此并不具体限定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1所示，本申请实施例提供的超短焦投影光学系统100具有光轴110，超短焦投影光学系统100包括沿光轴110在物侧A和像侧B之间依次设置的第一镜片1、第二透镜组120、第三透镜组130和投影显示装置140，孔径光阑150位于第二透镜组120和第三透镜组130之间，第一镜片1为玻璃非球面反射镜，第一镜片1包括从物侧A到像侧B依次设置的外光学面101和内光学面102，外光学面101为向物侧A凸出的反射面，内光学面102为向物侧A凹陷的透射面，投影显示装置140出射的投影光线经内光学面102入射至外光学面101，并经外光学面101反射后经内光学面102出射。

第一镜片1、第二透镜组120与第三透镜组130同光轴设置，光轴即光轴110，投影显示装置140出射的投影光线依次入射至第三透镜组130、第二透镜组120和第一镜片1，最后经内光学面102出射的投影光线可以投射至屏幕(未示出)上形成投影图像。

本实施例中，第二透镜组120与第三透镜组130均为折射透镜组，其主要作用是校正系统像差。第一镜片1为玻璃非球面反射镜，其外光学面101和内光学面102均为非球面，其可以消除球面畸变引起的像差，因此入射至第一镜片1的投影光线会被非球面的内光学面102整形，再被非球面的外光学面101整形，然后再被内光学面102折射整形出射，相当于在第一镜片1处增加了光程，从而可减小透镜数量，使得整个光学系统更加简洁，降低组装难度，且第一镜片1能够对投影光线进行有效的整形校正，提高了系统分辨率；此外，基于透镜数量的减少，可减少投影光线多次通过不同的介质造成的能量损耗，提高投影品质。另一方面，第一镜片1采用玻璃材质，具有较好的热稳定性，能够避免在高光照的情况下出现热失焦现象。

本实施例中，第一镜片1为玻璃非球面反射镜，结合现有的工艺水平，玻璃非球面透镜的口径一般不会超过直径50mm，因此当像圆为直径8.8mm(0.23英寸DMD，140％Offset)时，第一镜片1的最大口径为直径32mm，可以通过模压成型直接制备，且第一镜片1的口径较小，因此量产成本低，且无热失焦现象。

在一些实施例中，外光学面101可以镀有反射膜，以提高外光学面101的反射能力；内光学面102可以镀有增透膜，以提高内光学面102的透射能力。

本实施例中，反射膜的反射率可以大于95％。示例性的，该反射膜可以为银反射层或者铝反射层，以实现大于95％的反射率。

本实施例中，投影显示装置140可以包括数字微镜器件141、保护玻璃142和棱镜143，保护玻璃142和棱镜143依次设置于数字微镜器件141和第三透镜组130之间，数字微镜器件141即DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜元件)芯片，投影显示装置140出射的投影光线即为数字微镜器件141发出的图像源光线。数字微镜器件141可以与光轴110同轴，或者可以偏离光轴110一定距离设置。保护玻璃142和棱镜143与光轴110同轴，保护玻璃142具有高透光率和高硬度，使得数字微镜器件141得到很好的保护。

在一些实施例中，第二透镜组120可以包括从物侧A到像侧B依次设置的第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4，其中，第二透镜2为凹透镜，第三透镜3为凸透镜，第四透镜4为非球面透镜，第四透镜4的作用是校正系统像差，提高分辨率，使得超短焦投影光学系统100具有更高的解像力，更简洁的光学架构以及更小的体积。

本实施例中，第二透镜2和第三透镜3均为玻璃球面透镜，第四透镜4为玻璃非球面透镜。第四透镜4的物侧面为凸面结构，第四透镜4的像侧面为凹面结构。在其他一些实施例中，第四透镜4也可以为塑料非球面透镜。

本实施例中，玻璃非球面透镜可以通过模压工艺或者冷加工的方式制成，即第一镜片1和第四透镜4可以为模压成型透镜或者冷加工透镜，其生产周期短、成本低、加工方式绿色环保，并且非常适合大批量的生产加工。

第一镜片1、第四透镜4的非球面表面形状可以满足方程式：

上述方程式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同；k为圆锥二次曲线系数；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；a₁至a₈分别表示各自径向坐标所对应的系数。

在一些实施例中，第二透镜2和第三透镜3胶合为一体，通过采用镜片胶合的方式，可以校正色差，提高成像效果。示例性的，第二透镜2和第三透镜3可以通过光学胶水粘合连接。当然，在另一些实施例中，第二透镜2和第三透镜3也可以不胶合。

在一些实施例中，第三透镜组130包括从物侧A到像侧B依次设置的第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12和第十三透镜13，其中，第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12和第十三透镜13均为球面透镜。

本实施例中，第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12和第十三透镜13可以均为玻璃球面透镜。

作为一种实施方式，第五透镜5的物侧面为凸面，第五透镜5的像侧面为凹面。第六透镜6的物侧面为凹面，第六透镜6的像侧面为凸面。第七透镜7的物侧面为凹面，第七透镜7的像侧面为凸面。第八透镜8的物侧面为凹面，第八透镜8的像侧面为凸面。第九透镜9的物侧面为凹面，第九透镜9的像侧面为凸面。第十透镜10的物侧面为凸面，第十透镜10的像侧面为凹面。第十一透镜11的物侧面为凸面，第十一透镜11的像侧面为凸面。第十二透镜12的物侧面为凹面，第十二透镜12的像侧面为凸面。第十三透镜13的物侧面为凸面，第十三透镜13的像侧面为凸面。

请参阅图2所示，在一些实施例中，投影显示装置140具有投影像发射面144，在光轴110上，外光学面101到投影像发射面144的距离为L，外光学面101到第二透镜组120的出射面的距离为D，且满足

由此，可以消除像差，提高分辨率并且实现较小的透射比，使得超短焦投影光学系统100具有较好的光学性能。其中，投影像发射面144为保护玻璃142朝向棱镜143的表面，第二透镜组120的出射面为第二透镜2的物侧面。

在一些实施例中，在光轴110上，外光学面101到孔径光阑150的距离为L1，孔径光阑150到第三透镜组130的入射面的距离为L2，且满足

由此，可以消除像差，提高分辨率并且实现较小的透射比，使得超短焦投影光学系统100具有较好的光学性能。其中，第三透镜组130的入射面为第十三透镜13的像侧面。

在一些实施例中，第一镜片1具有位于中心视场的第一实焦点P1，在光轴110上，第一实焦点P1到外光学面101的距离为L3，且满足L3≥2mm。第一镜片1具有位于边缘视场的第二实焦点P2，在光轴110上，第二实焦点P2到外光学面101的距离为L4，且满足L4≥2mm。其中，边缘视场环绕于中心视场的外周缘。

需要说明的是，无论是塑料还是玻璃制成的光学透镜，内部通常都有微小的气泡和杂质(通常小于50um)，若实焦点落在这些气泡或者杂质上，会导致投影画面上出现一个区域无法正常显示，影响观看体验。上述实施例通过设定L3≥2mm，以及L4≥2mm，可以避免第一实焦点P1和第二实焦点P2落在这些气泡或者杂质上，进而避免出现画面无法正常显示的现象，保证用户的观看体验。

本实施例中，超短焦投影光学系统100可以实现0.19:1-0.30:1的投射比。示例性的，超短焦投影光学系统100可以实现0.23：1的投射比，分辨率满足1080P的解像要求，畸变能控制在小于0.1％甚至更好。

具体地，超短焦投影光学系统100的镜头设计参数如表1所示，内光学面102的非球面参数如表2所示，外光学面101的非球面参数如表3所示，第四透镜4的物侧面的非球面参数如表4所示，第四透镜4的像侧面的非球面参数如表5所示。

表1：超短焦投影光学系统100的镜头设计参数表

参数	值
		半径	-16.541239
二次曲面常数(K)	-0.285902
		4阶系数(A)	-0.000044
6阶系数(B)	1.283807e-007
		8阶系数(C)	4.422442e-011
10阶系数(D)	2.417448e-012
		12阶系数(E)	-6.298910e-015
14阶系数(F)	1.845215e-019
		16阶系数(G)	-2.777433e-019
18阶系数(H)	2.567422e-022
		20阶系数(J)	1.578037e-024

表2：内光学面102的非球面参数表

参数	值
		半径	-14.021342
二次曲面常数(K)	-0.719580
		4阶系数(A)	0.000033
6阶系数(B)	-3.497232e-007
		8阶系数(C)	2.363600e-009
10阶系数(D)	-6.147588e-012
		12阶系数(E)	-1.398997e-014
14阶系数(F)	1.508618e-016
		16阶系数(G)	-4.490444e-019
18阶系数(H)	4.674633e-022
		20阶系数(J)	6.621811e-026

表3：外光学面101的非球面参数表

表4：第四透镜4的物侧面的非球面参数表

参数	值
		半径	-11.991134
二次曲面常数(K)	-33.059227
		4阶系数(A)	-0.005706
6阶系数(B)	0.000122
		8阶系数(C)	0.000005
10阶系数(D)	-0.000001
		12阶系数(E)	-2.626866e-012
14阶系数(F)	1.083587e-023
		16阶系数(G)	-7.100940e-023
18阶系数(H)	-1.614079e-016
		20阶系数(J)	2.588504e-019

表5：第四透镜4的像侧面的非球面参数表

下面通过具体实验对超短焦投影光学系统100的光学性能进行验证说明。

超短焦投影光学系统100的调整传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)表现图如图3所示，图中，纵坐标代表调制度，单位lp/mm(每毫米能分辨的黑白线对数)。从图3可以看出，本实施例在±0.1mm的离焦范围内展现了较好的对比度，可以表明超短焦投影光学系统100的综合解像水平较高。

超短焦投影光学系统100的纵向球差值曲线图如图4(a)所示，图4(a)展示了利用波长为455nm、540nm及615nm的光线所做的纵向球差值曲线图，该图可在一定程度上反映广角镜头的光学畸变水平。

超短焦投影光学系统100的像散曲线图如图4(b)所示，图4(b)展示了利用波长为455nm、540nm及615nm的光线所做的像散曲线图，从图4(b)可以看出，像散程度较轻，可控制在0.05以内，可在一定程度上反映超短焦投影光学系统100具有较低的光学畸变水平。

超短焦投影光学系统100的畸变曲线图如图4(c)所示，图4(c)展示了利用波长为455nm、540nm及615nm的光线所畸变曲线图，从图4(c)可以看出，超短焦投影光学系统100具有比较低的最大畸变率，其光学性能较佳。

超短焦投影光学系统100的系统点列图如图5所示，从图中可以看出，各视场下的点列图平均弥散斑半径较小，像质很好，能够满足1080P的解像要求。

超短焦投影光学系统100的横向色差曲线详见图6所示，图中，S-L(Short-Long)代表短波长和长波长的差异，S-R(Short-Ref)代表短波长与参考波长的差异。超短焦投影光学系统100的相对照度曲线详见图7所示，如图6和图7所示，超短焦投影光学系统100在横向色差及相对照度方面上，皆有良好的成像品质。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本申请，任何本领域技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。

Claims (11)

1.一种超短焦投影光学系统，其特征在于，所述超短焦投影光学系统具有光轴，所述超短焦投影光学系统包括：沿所述光轴在物侧和像侧之间依次设置的第一镜片、第二透镜组、第三透镜组和投影显示装置，孔径光阑位于所述第二透镜组和所述第三透镜组之间，所述第一镜片为玻璃非球面反射镜，所述第一镜片包括从所述物侧到所述像侧依次设置的外光学面和内光学面，所述外光学面为向所述物侧凸出的反射面，所述内光学面为向所述物侧凹陷的透射面，所述投影显示装置出射的投影光线经所述内光学面入射至所述外光学面，并经所述外光学面反射后经所述内光学面出射。

2.根据权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述外光学面镀有反射膜，所述内光学面镀有增透膜。

3.根据权利要求2所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述反射膜的反射率大于95％。

4.根据权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述投影显示装置具有投影像发射面，在所述光轴上，所述外光学面到所述投影像发射面的距离为L，所述外光学面到所述第二透镜组的出射面的距离为D，且满足

5.根据权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，在所述光轴上，所述外光学面到所述孔径光阑的距离为L1，所述孔径光阑到所述第三透镜组的入射面的距离为L2，且满足

6.根据权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第一镜片具有位于中心视场的第一实焦点，在所述光轴上，所述第一实焦点到所述外光学面的距离为L3，且满足L3≥2mm。

7.根据权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第一镜片具有位于边缘视场的第二实焦点，在所述光轴上，所述第二实焦点到所述外光学面的距离为L4，且满足L4≥2mm。

8.根据权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第二透镜组包括从所述物侧到所述像侧依次设置的第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第二透镜为凹透镜，所述第三透镜为凸透镜，所述第四透镜为非球面透镜。

9.根据权利要求8所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第二透镜和所述第三透镜胶合为一体。

10.根据权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第三透镜组包括从所述物侧到所述像侧依次设置的第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜和第十三透镜，所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜和所述第十三透镜均为球面透镜。

11.根据权利要求1所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述超短焦投影光学系统的投射比为：0.19:1-0.30:1。

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