CN218675469U - 光学系统和投影设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光学系统和投影设备，光学系统自物侧至像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二透镜、光焦度为正的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、光焦度为正的第六透镜、等效TIR棱镜和感光芯片，所述第一透镜和所述第六透镜为非球面透镜，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜为球面透镜，通过六个透镜的光焦度以及形状的合理设置，所述光学系统的光圈数为F≤1.7，使得光学系统能够很好地控制光线走势，在引入更多的光线的同时使结构更加紧凑，光学系统的总长控制在54mm以内，以提供一种与TIR棱镜结构搭配使用的大光圈、体积小的光学系统。

Description

光学系统和投影设备

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及光学系统和投影设备。

背景技术

近年来，由于线上教学以及家用投影的广泛使用，人们对于投影机的小型化、分辨率要求越来越高。市面上的投影机多数采用TIR棱镜的结构，这种结构导致光学镜头的长度及体积比较大，缩小镜头体积有利于投影机的小型化、提升便捷性以及降低成本。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种光学系统和投影设备，旨在提供一种与TIR棱镜结构搭配使用的大光圈、体积小的光学系统。

为实现上述目的，本实用新型提出的一种光学系统，所述光学系统具有沿光轴方向呈相对设置的物侧和像侧，所述光学系统包括自物侧至像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二透镜、光焦度为正的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、光焦度为正的第六透镜、等效TIR棱镜和感光芯片，所述第一透镜和所述第六透镜为非球面透镜，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜为球面透镜，以使得所述光学系统的光学总长TTL≤54mm，所述光学系统的光圈数为F≤1.7。

可选地，所述光学系统还满足以下条件：

其中，

为所述光学系统的光焦度，

为所述第一透镜的光焦度，

为所述第二透镜的光焦度，

为所述第三透镜的光焦度，

为所述第四透镜的光焦度，

为所述第五透镜的光焦度，

为所述第六透镜的光焦度。

可选地，所述第一透镜为塑胶透镜。

可选地，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜均为玻璃透镜。

可选地，所述第一透镜和所述第六透镜为非球面透镜；

所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜均为球面透镜。

可选地，所述第四透镜和所述第五透镜胶合连接形成胶合透镜。

可选地，所述光学系统还满足以下条件：

40<|T1-T6|<60；

其中，

为所述第一透镜的光焦度，

为所述第六透镜的光焦度，T1为所述第一透镜的热膨胀系数，T6为所述第六透镜的热膨胀系数。

可选地，所述光学系统还包括光阑，所述光阑设于所述第三透镜和所述第四透镜之间。

可选地，所述光学系统还包括保护玻璃，所述保护玻璃设于所述等效TIR棱镜和所述感光芯片之间。

本实用新型还提供一种投影设备，所述投影设备包括上述的光学系统。

本实用新型提供的技术方案中，光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二透镜、光焦度为正的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、光焦度为正的第六透镜、等效TIR棱镜和感光芯片，所述第一透镜和所述第六透镜为非球面透镜，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜为球面透镜，通过所述第一透镜校正大角度光线的畸变，同时降低进入后组镜片的光线高度，所述第二透镜采用双凹透镜，转折光线，使得所述第三透镜可进一步增加进入后组的光线高度，使得系统拥有较大的光圈，所述光学系统在弱光下也可清晰成像，所述第四透镜和所述第五透镜校正系统的色球差，所述第六透镜可校正系统的残余畸变像差，并使出射光线以较小角度进入所述感光芯片，通过上述六个透镜按照光焦度负负正正负正的顺序从投射面到所述感光芯片依次排列，可实现较小的总长，使得所述第一透镜与所述感光芯片的距离控制在54mm以内，制造性也较好，以提供一种与TIR棱镜结构搭配使用的大光圈、体积小的光学系统。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的光学系统的结构示意图；

图2为图1中的光学系统的常温下MTF示意图；

图3为图1中的光学系统的高温下MTF示意图；

图4为图1中的光学系统的场区畸变/场曲示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	第一透镜	6	第六透镜
2	第二透镜	7	等效TIR棱镜
				3	第三透镜	8	光阑
4	第四透镜	9	感光芯片
				5	第五透镜

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

近年来，由于线上教学以及家用投影的广泛使用，人们对于投影机的小型化、分辨率要求越来越高。市面上的投影机多数采用TIR棱镜的结构，这种结构导致光学镜头的长度及体积比较大，缩小镜头体积有利于投影机的小型化、提升便捷性以及降低成本。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种光学系统，图1至图4为本实用新型提供的光学系统的具体实施例。

请参阅图1，所述光学系统具有沿光轴方向呈相对设置的物侧和像侧，所述光学系统包括自物侧至像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜1、光焦度为负的第二透镜2、光焦度为正的第三透镜3、光焦度为负的第四透镜4、光焦度为正的第五透镜5、光焦度为正的第六透镜6、等效TIR棱镜7和感光芯片9，所述第一透镜1和所述第六透镜6为非球面透镜，所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4和所述第五透镜5为球面透镜，以使得所述光学系统的光学总长TTL≤54mm，所述光学系统的光圈数为F≤1.7。

本实用新型提供的技术方案中，光焦度为负的第一透镜1、光焦度为负的第二透镜2、光焦度为正的第三透镜3、光焦度为负的第四透镜4、光焦度为正的第五透镜5、光焦度为正的第六透镜6、等效TIR棱镜7和感光芯片9，所述第一透镜1和所述第六透镜6为非球面透镜，所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4和所述第五透镜5为球面透镜，通过所述第一透镜1校正大角度光线的畸变，同时降低进入后组镜片的光线高度，所述第二透镜2采用双凹透镜，转折光线，使得所述第三透镜3可进一步增加进入后组的光线高度，使得系统拥有较大的光圈，所述光学系统在弱光下也可清晰成像，所述第四透镜4和所述第五透镜5校正系统的色球差，所述第六透镜6可校正系统的残余畸变像差，并使出射光线以较小角度进入所述感光芯片9，只需要通过上述六个透镜按照光焦度负负正正负正的顺序从投射面到所述感光芯片9依次排列，可实现较小的总长，使得所述第一透镜1与所述感光芯片9的距离控制在54mm以内，制造性也较好，以提供一种与TIR棱镜结构搭配使用的大光圈、体积小的光学系统。

具体地，在本实施例中，所述光学系统还满足以下条件：

其中，

为所述光学系统的光焦度，

为所述第一透镜1的光焦度，

为所述第二透镜2的光焦度，

为所述第三透镜3的光焦度，

为所述第四透镜4的光焦度，

为所述第五透镜5的光焦度，

为所述第六透镜6的光焦度。光焦度等于像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。通过合理的设置六个透镜的光焦度的比值范围的约束限制，使得光束能够按照所需设计的方向进行投射，使各个镜片上的球差，慧差，像散等相互补偿抵消，以达到清晰成像的效果。

具体地，因树脂镜头的抗冲击能力较强，重量较轻，同时成本也低，在本实施例中，所述第一透镜1为塑胶透镜。通过采用塑料非球面透镜有效地控制成本，且通过非球面透镜可以很好的矫正镜头色差，在保证镜头紫边控制情况下，同时矫正高倍位置的球差和正弦差。

但是因塑胶材料受环境温度影响的化学特性较为不稳定，其折射率相较全玻璃镜头较弱，导致画面还原度上差于全玻璃镜头，为了保证所述光学系统受温度变化的稳定性，在本实施例中，所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4、所述第五透镜5、所述第六透镜6均为玻璃透镜。因玻璃透镜不容易受热胀冷缩的影响出现跑焦现象，因此玻璃透镜可以很好的抵抗镜头受热变形的问题，长时间保持镜头的高精度。所述光学系统采用玻塑混合材质，不仅节省成本，抗冲击能力也较强，还保证了系统的稳定性和高低温的适用性。

具体地，在本实施例中，所述第一透镜1和所述第六透镜6为非球面透镜。非球面镜片的特点是：从镜片中心到镜片周边，曲率是连续变化的，与从镜片中心到镜片周边具有恒定曲率的球面镜片不同，非球面镜片具有更佳的曲率半径特性，具有改善歪曲像差及改善像散像差的优点，采用非球面镜片后，能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，从而提升镜头的成像质量。在本实施例中，所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4、所述第五透镜5均为球面透镜。如此，在保证像质和可靠性的前提下，减少成本，组装敏感度较低，提升了成品良率。本实用新型采用同时使用玻璃非球面和塑胶非球面，既控制了成本，又将镜头的体积大幅的缩短。

具体地，为了让光学元器件改善光学系统象质，减少光能损失，增加成像清晰度，保护刻度面，进一步优化加工流程达到设计要求，在本实施例中，所述第四透镜4和所述第五透镜5胶合连接形成胶合透镜，合理的使用胶合件，合适分配光焦度，结合玻璃材料的热参数，很好的矫正像差及实现高低温无热化的效果，同时清晰的效果。

具体地，在本实施例中，所述光学系统还满足以下条件：

40<|T1-T6|<60；其中，

为所述第一透镜1的光焦度，

为所述第六透镜6的光焦度，T1为所述第一透镜1的热膨胀系数，T6为所述第六透镜6的热膨胀系数。如此设置，可实现投影机800lm亮度输出时不跑焦。

进一步地，在本实施例中，所述光学系统还包括光阑8，所述光阑8设于所述第三透镜3和所述第四透镜4之间。光阑8限制轴上光束通光口径在变焦过程中拦掉部分光线，减少了光斑、提高了图像对比度，并有助于提升像质。

进一步地，在本实施例中，所述光学系统还包括保护玻璃，所述保护玻璃设于所述等效TIR棱镜7和所述感光芯片9之间。所述保护玻璃可为感光芯片IMAGE提供有效保护，所述保护玻璃可以设置为滤光片，滤光片可有效滤掉非工作波段的杂光，以减小光噪声，为后续的光电模块处理部分减小困难，从而提高成像质量。

具体地，所述成像面可以理解为所述感光芯片9朝向所述物侧的表面，即可以为CCD或者CMOS等摄像元件的表面，可以理解的是，携带被摄物体信息的光线能够依次经过所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4、所述第五透镜5、所述第六透镜6和所述等效TIR棱镜7，并最终成像于所述成像面上。

具体地，以下案例为光学系统的光圈F1.7，在.23英寸DMD芯片平台上使用的投影镜头的实际设计参数，镜片的材质折射率，曲率半径，厚度间隔如下表1所示：

表1

进一步地，在本实施例中，非球面透镜的非球面表面形状满足以下条件：

其中，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时面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时为抛物线，当k系数介于-1到0之间时为椭圆，当k系数等于0时为圆形，当k系数大于0时为扁圆形，a₁至a₈分别表示各径向坐标所对应的系数)请参照下表2，通过以上参数即可设定透镜物侧面和像侧面非球面的形状尺寸。

表2非球面镜片对应的圆锥系数和非球面系数：

图2显示所述光学系统在常温25℃的MTF曲线图，图3显示所述光学系统在高温80℃的MTF曲线图，图4显示所述光学系统的畸变图(distortion)以及场曲图(fieldcurvature)。

由上述图可知，本实施例中的所述光学系统的球面像差、场曲以及畸变均能够获得良好的校正。

综上所述，所述光学系统的光圈值F满足F≤1.7，光学总长控制在54mm以内，能够与等效TIR棱镜7配合使用时，体积较小，减少成本。

本实用新型还提供一种投影设备，所述投影设备包括上述技术方案所述的光学系统，该光学系统的具体结构参照上述实施例，由于本光学系统的光学系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统具有沿光轴方向呈相对设置的物侧和像侧，所述光学系统包括自物侧至像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二透镜、光焦度为正的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、光焦度为正的第六透镜、等效TIR棱镜和感光芯片，所述第一透镜和所述第六透镜为非球面透镜，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜为球面透镜，以使得所述光学系统的光学总长TTL≤54mm，所述光学系统的光圈数为F≤1.7。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还满足以下条件：

1.2<|φ1/φ2|<1.5，0.05<φ3<0.06，-0.006<φ4+φ5<-0.004，0.06<φ6<0.08；

其中，φ为所述光学系统的光焦度，φ1为所述第一透镜的光焦度，φ2为所述第二透镜的光焦度，φ3为所述第三透镜的光焦度，φ4为所述第四透镜的光焦度，φ5为所述第五透镜的光焦度，φ6为所述第六透镜的光焦度。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜为塑胶透镜。

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜均为玻璃透镜。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜和所述第六透镜为非球面透镜；

所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜均为球面透镜。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第四透镜和所述第五透镜胶合连接形成胶合透镜。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还满足以下条件：-0.006<φ1/φ6<-0.004，40<|T1-T6|<60；

其中，φ1为所述第一透镜的光焦度，φ6为所述第六透镜的光焦度，T1为所述第一透镜的热膨胀系数，T6为所述第六透镜的热膨胀系数。

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括光阑，所述光阑设于所述第三透镜和所述第四透镜之间。

9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括保护玻璃，所述保护玻璃设于所述等效TIR棱镜和所述感光芯片之间。

10.一种投影设备，其特征在于，如权利要求1至9中任意一项所述的光学系统。

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