CN117111274B - 一种低影像偏置光学系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种低影像偏置光学系统，该系统包括光阀、投影镜头；光阀用于提供高分辨率的影像光束；投影镜头包括照明棱镜、影像偏置镜、折射系统及反射系统；其中折射系统包括至少1个非球面镜；反射系统由自由曲面反射镜和曲面出光口玻璃组成，该系统整体机构紧凑，通过孔径光阑、球面透镜、胶合透镜、自由曲面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，特别的设置球面、柱面或除柱面外的非球面出光口玻璃，在超短投射比、更低偏置量、更大的波长范围下，有效平衡了性能和体积的需求，提升了镜头的可量产性。

Description

一种低影像偏置光学系统

技术领域

本申请涉及投影显示领域，具体涉及一种低影像偏置光学系统。

背景技术

投影显示是由平面图像信息控制光源，利用光学系统和投影空间把图像放大并显示在投影屏幕上的方法或装置，目前，投影显示技术市场广阔，在生活中应用广泛。其中，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，尤其是在保证像质和亮度性不损失的前提下，同时兼顾成本与小型化，是镜头设计中的一大难点，并为了进一步提升产品性能，特别是产品亮度，因此设计出更低的光阀偏置的镜头，进一步提升产品性能成为一大难点。

目前超短焦投影镜头采用的技术方案，通常有两种：

方案一是使用平面出光口玻璃，在低偏置量下，低投射比的设计规格下，光线进入平面出光口玻璃的入射角很大，接近85°，但该方案造成光线损失比较多，亮度和均匀性损失接近10%，使得光线最低位置的出射角度无法降低，无法有效实现低偏置量的应用；

方案二是使用折反混合系统，反射系统段应用曲面反射可以缩短投影距离，但该方案为了避免出射光线高度和结构的干涉问题，光阀偏置量都比较大，通常在140% ~150%之间；同时将投射比由传统的0.25 提升到到更短的投射比即0.18的情况下，会让从镜头出射的光线角度比较大，在漫射屏反射回的光线高度偏高，影响产品的亮度。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种低影像偏置光学系统，与原有反射系统的思路不同，使用曲面窗口玻璃有效降低了光线入射角，提升了透过率和均匀性，实现了低的光阀偏置量，用较低的成本和复杂度实现镜头性能方面的提升。

本申请实施例提供一种低影像偏置光学系统，其特征在于，包括：

光阀和投影镜头；

所述光阀用于提供高分辨率的影像光束；

所述投影镜头包含照明棱镜、影像偏置镜、折射系统及反射系统；

所述折射系统共16片镜，其中包括有4个非球面镜和12个球面镜组成，且包含一个双胶合透镜、一个玻璃非球面镜片、一个三胶合透镜；

所述反射系统由自由曲面反射镜和曲面出光口玻璃组成，所述曲面出光口玻璃为球面、柱面或除柱面外的非球面，用于降低出光光线进入玻璃的角度和提高透过率；

当所述曲面出光口玻璃为球面或柱面时，上表面R值小于下表面的R值；当所述曲面出光口玻璃为除柱面外的非球面时，控制边缘曲率接近平坦。

进一步地，所述光学系统从光阀到孔径光阑方向包含:照明棱镜，影像偏置镜，以及6个球面镜和1个非球面镜，分别为第1透镜、第2透镜、第3透镜、第4透镜、第5透镜、第6透镜和第7透镜，所述第7透镜为非球面镜，其中，第3透镜和第4透镜组合为一个双胶合透镜；第5透镜、第6透镜、第7透镜组合为一个三胶合透镜；从孔径光阑到第11透镜为镜组后半部分，由4个球面透镜组成，分别为第8透镜、第9透镜、第10透镜、第11透镜。

进一步地，所述折射系统的透镜组合及所述自由曲面反射镜均为同一光轴，所述三胶合透镜、所述双胶合透镜用于对光学镜头中的轴向色差、垂轴色差进行校正；

所述三胶合透镜用于进行色差校正的同时，通过合理选用透镜玻璃材料及光焦度分配，对色差及可加工性之间进行平衡。

进一步地，所述第5透镜的阿贝数的取值与所述第7透镜的阿贝数的取值均为70 ~90之间；所述第3透镜、所述第4透镜的阿贝数差值大于30。

进一步地，所述第3透镜和所述第4透镜的阿贝数分别取值为81.6和35.3，所述第5透镜的阿贝数为81.6，所述第7透镜的阿贝数为76.5。

进一步地，所述第6透镜分配负光焦度，折射率nd 取值2.05, 阿贝数为26.9；所述第4透镜、第6透镜的厚度控制在 0.5 ~ 1.5mm之间, 用于抑制透过率的降低。

进一步地，所述第3透镜和所述第4透镜设计为双凸状和弯月状的正负光焦度配合，对所述第5透镜的凸正光焦度产生正负色差进行有效校正。

进一步地，所述镜组后半部分到所述反射系统之间，顺序设置有第12透镜、第13透镜、第14透镜、第15透镜、第16透镜；

第12透镜为单独第一可动群组，完成收光并用于配合第13透镜校正畸变和近轴的像差；

第13、14透镜为第二可动群组，完成收光并用于配合第15透镜校正畸变和近轴的像差；

第15、16透镜为第三可动群组，完成收光并用于配合所述自由曲面反射镜校正畸变和近轴的像差；

所述第1透镜到第16透镜的光焦度分配为正、正、正、负、正、负、正、正、负、负、正、负、正、负、负、负；

所述第一可动群组、第二可动群组、第三可动群组将所述光学系统的投影范围扩大到 70inch ~ 120inch。

进一步地，其特征在于，所述自由曲面反射镜为塑胶材料，折射率nd取值为1.5。

进一步地，所述折射系统和所述反射系统产生正的屈光度，用于进行成像，所述折射系统的总长度为L1，即从第1透镜至第16透镜的距离，所述折射系统和所述反射系统之间的间距为L2 ，并符合条件式:0.5 < L1/ L2 < 1.0。

与现有技术相比较，本申请的有益效果在于：

1、具有较低的光阀偏置量, 光阀偏置量可以实现 107%；

2、产品性能好，均匀性指标优于市场所有方案，可以达到 90%以上，亮度更高；

3、可制造性高，光学系统使用了16个镜片、和一个自由曲面反射镜实现，单个镜片分摊的公差均衡，生产一次良率 90% 以上；

4、投射比更短，投射比达到了 TR 0.18以内；

5、色差在 650nm~450nm 之间，可达到 0.35像素以内。

本申请的光学系统整体机构紧凑，通过孔径光阑、球面透镜、胶合透镜、自由曲面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，特别的设置自曲面出光口玻璃，在超短投射比(TR 0.18)，更低偏置量，更大的波长范围下，有效平衡了性能和体积的需求，提升了镜头的可量产性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施方式，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是本申请的低影像偏置光学系统的结构示意图；

图2是本申请光学系统的成像整体效果图；

图3是本申请实施例中的光学系统的成像画面的TV畸变示意图；

图4是本申请实施例中的成像画面上不同视场条件下的光斑点；

图5是本申请实施例中的光线光扇图。

附图标记：

1、光阀，2、照明棱镜，3、影像偏置镜，401、第1透镜，402、第2透镜，403、第3透镜，404、第4透镜，405、第5透镜，406、第6透镜，407、第7透镜，408、第8透镜，409、第9透镜，410、第10透镜，411、第11透镜，412、第12透镜，413、第13透镜，414、第14透镜，415、第15透镜，416、第16透镜，5、孔径光阑，6、自由曲面反射镜，7、曲面出光口玻璃。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请提出了一种低影像偏置光学系统，包括光阀1、投影镜头。光阀1用于提供高分辨率的影像光束；投影镜头包含折射系统及反射系统；反射系统由自由曲面构成。

图1即为本申请方案的低影像偏置光学系统的结构示意图，投影镜头包括照明棱镜2，影像偏置镜3，折射系统及反射系统；该投影镜头将光阀1的影像光束投射到屏幕形成成像。

本申请能够短距离投射大画面，并具备更低偏置量，实现高分辨率的投影成像质量。

具体地，光阀1为DMD芯片或LCoS芯片，光阀1为光调制元件，在光阀1和投影镜头之间还具有照明棱镜2，该照明棱镜2选用TIR全反射棱镜，用于提高光阀1进入镜头的光线的亮度和对比度。

投影镜头包括一折射系统、反射系统。

折射系统共16片镜，其中有4个非球面镜和12个球面镜组成，且包含 一个双胶合透镜、一个玻璃非球面镜、一个三胶合透镜；

反射系统由自由曲面反射镜6和曲面出光口玻璃7组成；曲面出光口玻璃7可以是球面、柱面、除柱面外的非球面等；使用曲面出光口玻璃7可以有效降低出光光线进入玻璃的角度，实现高的透过率。

具体的，使用曲面出光口玻璃7时，会引入畸变、解析和鬼影的误差，特别的曲面曲率需要进行消除鬼影的曲率设计；当曲面出光口玻璃7为球面或柱面时，上表面R 值需要小于下表面的R值；当曲面出光口玻璃7为除柱面外的非球面时，需要控制边缘曲率接近平坦，从而有效消除鬼影。

具体的，光学系统从光阀1到孔径光阑5方向包含: 1个照明棱镜2，1个影像偏置镜3，6个球面和1个非球面镜，分别为第1透镜401、第2透镜402、第3透镜403、第4透镜404、第5透镜405、第6透镜406和第7透镜407，所述第7透镜407为非球面镜，其中，第3透镜403和第4透镜404组合为一个双胶合透镜；第5透镜405、第6透镜406、第7透镜407组合为一个三胶合透镜；从孔径光阑5到第11透镜为镜组后半部分，由4个球面透镜组成，分别为第8透镜408、第9透镜409、第10透镜410、第11透镜411。

所述折射系统的透镜组合及所述自由曲面反射镜6均为同一光轴；其中双胶合透镜、三胶合透镜对系统的颜色像差校正起到关键性作用。具体的，双胶合透镜、三胶合透镜主要对光学镜头中的轴向色差、垂轴色差进行校正。

在折射系统中，三胶合透镜为核心元件，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405的阿贝数取值与第7透镜407的阿贝数取值均为70 ~ 90之间，实际应用中，第5透镜405的阿贝数为81.6，第7透镜407的阿贝数为76.5； 由于第6透镜406分配负光焦度，并选用折射率更大的材料，通过对第4透镜404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404、第6透镜406的厚度需要设计上控制在 0.5 ~ 1.5mm, 抑制透过率的降低，实际应用中第6透镜406的折射率取值2.05,阿贝数为26.9；

第3透镜403和第4透镜404组成双胶合透镜，其中第3透镜403、第4透镜404的阿贝数差值需要大于30以上；在 650nm~450nm波长范围内，这样选值可有效控制镜头的剩余色差。实际应用中，第3透镜403和第4透镜404的阿贝数分别取值在81.6和35.3，通过将第3透镜403和第4透镜404分别设计为双凸状和弯月状，实现正负光焦度配合，对第5透镜405的凸正光焦度产生正负色差来实现有效的校正作用。

第12透镜412为单独第一可动群组，完成收光并用于配合第13透镜413校正畸变和近轴的像差。

第13透镜413、第14透镜414为第二可动群组，完成收光并用于配合第15透镜415校正畸变和近轴的像差。

第15透镜415、第16透镜416为第三可动群组，完成收光并用于配合自由曲面反射镜6校正畸变和近轴的像差。

第一可动群组、第二可动群组、第三可动群组通过彼此依照特定移动曲线，可以将镜头的投影范围扩大到 70 inch ~120 inch。

其中自由曲面反射镜6，为塑胶材料，折射率nd取值为1.5。由于该反射镜距离光阑较远，视场较大，增加非球面可极大减小系统畸变像差。

在光学系统成像中，主要存在球差、彗差、像散、场曲、畸变5种单色像差，以及轴向色差和垂轴色差2种色差。在光学系统成像中，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。本申请中第1透镜401到第16透镜416的光焦度分配为正、正、正、负、正、负、正、正、负、负、正、负、正、负、负、负；本申请中，折射系统总的光焦度为正光焦度，反射系统同样为正光焦度。

折射系统和反射系统产生正的屈光度（正的屈光度是能够成像的基本条件），折射系统的总长度为L1（从第1透镜401至第16透镜416的距离），折射系统和反射系统之间的间距为L2 ，并符合条件式:0.5 < L1/ L2 < 1.0，以缩小体积。其中，第16透镜416为非球面透镜。

本申请技术方案中，投影镜头的等效焦距长为F1，折射系统的等效焦距长为 F2，反射系统的等效焦距长 F3，且满足条件式：20< | F2/F1 | < 30；5 < | F3/F1 | < 15；

本申请技术方案中，光阀1面到第1透镜401的距离即镜头的后工作距离，记为BFL，并符合条件式:

0< BFL/ (L1+L2) < 0.5

以满足镜头超短焦特性。

本申请中的投影镜头从光阀1的像素面相对光轴的偏移量满足关系式：

107%< offset <150%。

当本投影镜头的投影画面为100寸时，其自由曲面反射镜6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 ≤ 0.18，即投射比。

在本申请的一个具体实施例中，投影镜头结构参数满足如下条件：有效焦距（EFL）= 1.67mm，偏移量为107%<offset<150%，解像力为93lp/mm，投射画面为70—120英寸，透射比为0.15 - 0.18。图2-图5均为该实施例中相关像质评价图表。

图2为光学系统的成像整体效果图，包括光阀1、照明棱镜2，影像偏置镜3、折射系统、反射系统、屏幕以及光线整体走向示意图。

图3为光学系统成像画面的TV畸变示意图，从图中示意数据可看到，当投影画面为100寸（2214×1245mm²）时，其TV畸变最大值为0.31%（通常要求＜0.5%）。

图4为成像画面上不同视场条件下的光斑点，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、0.647μm）分别在某一视场条件下屏幕上的点光斑成像示意图。

图5为光线光扇图，图中所示为三种波长光线（0.45μm、0.55μm、0.647μm）在归一化的各个视场条件下与主波长光线分别在x轴和y轴的之间的像差值。其10个图表分别表示归一化的10个视场；每个视场中的两个图表分别为投影镜头中以光轴为中心对称的x轴和y轴；每个图表中的横轴方向为该视场条件下的光瞳高度位置，纵轴方向为各个波长光线与主光线之间的误差。

本申请技术方案为一个二次成像架构，光阀1的像素面为物面，光阀1反射光束通过折射系统后，在反射系统和折射系统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镜6的曲面反射后，在屏幕上形成二次无畸变的图像，进行了二次成像，在投影屏幕上显示大尺寸的投影图像；从光线图可以看出，在孔径光阑5位置后的镜片是双凸透镜即第8透镜408。

需要说明的是，本申请所用术语仅为了描述特定实施例，而非限制本申请范围。如本申请说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。

还需说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种低影像偏置光学系统，其特征在于，包括：

光阀和投影镜头；

所述光阀用于提供高分辨率的影像光束；

所述投影镜头包含照明棱镜、影像偏置镜、折射系统及反射系统；

所述折射系统共16片镜，其中包括有4个非球面镜和12个球面镜组成，且包含一个双胶合透镜、一个玻璃非球面镜片、一个三胶合透镜；

所述反射系统由自由曲面反射镜和曲面出光口玻璃组成，所述曲面出光口玻璃为球面、柱面或除柱面外的非球面，用于降低出光光线进入玻璃的角度和提高透过率；

当所述曲面出光口玻璃为球面或柱面时，上表面R值小于下表面的R值；当所述曲面出光口玻璃为除柱面外的非球面时，控制边缘曲率接近平坦；

所述光学系统从光阀到孔径光阑方向包含:照明棱镜，影像偏置镜，以及6个球面镜和1个非球面镜，分别为第1透镜、第2透镜、第3透镜、第4透镜、第5透镜、第6透镜和第7透镜，所述第7透镜为非球面镜，其中，第3透镜和第4透镜组合为一个双胶合透镜；第5透镜、第6透镜、第7透镜组合为一个三胶合透镜；从孔径光阑到第11透镜为镜组后半部分，由4个球面透镜组成，分别为第8透镜、第9透镜、第10透镜、第11透镜。

2.根据权利要求1所述的一种低影像偏置光学系统，其特征在于，所述折射系统的透镜组合及所述自由曲面反射镜均为同一光轴，所述三胶合透镜、所述双胶合透镜用于对光学镜头中的轴向色差、垂轴色差进行校正；

所述三胶合透镜用于进行色差校正的同时，通过合理选用透镜玻璃材料及光焦度分配，对色差及可加工性之间进行平衡。

3.根据权利要求1所述的一种低影像偏置光学系统，其特征在于，所述第5透镜的阿贝数的取值与所述第7透镜的阿贝数的取值均为70~90之间；所述第3透镜、所述第4透镜的阿贝数差值大于30。

4.根据权利要求3所述的一种低影像偏置光学系统，其特征在于，所述第3透镜和所述第4透镜的阿贝数分别取值为81.6和35.3，所述第5透镜的阿贝数为81.6，所述第7透镜的阿贝数为76.5。

5.根据权利要求1所述的一种低影像偏置光学系统，其特征在于，所述第6透镜分配负光焦度，折射率nd取值2.05,阿贝数为26.9；所述第4透镜、第6透镜的厚度控制在0.5~1.5mm之间,用于抑制透过率的降低。

6.根据权利要求1所述的一种低影像偏置光学系统，其特征在于，所述第3透镜和所述第4透镜设计为双凸状和弯月状的正负光焦度配合，对所述第5透镜的凸正光焦度产生正负色差进行有效校正。

7.根据权利要求1所述的一种低影像偏置光学系统，其特征在于，所述镜组后半部分到所述反射系统之间，顺序设置有第12透镜、第13透镜、第14透镜、第15透镜、第16透镜；

第12透镜为单独第一可动群组，完成收光并用于配合第13透镜校正畸变和近轴的像差；

第13、14透镜为第二可动群组，完成收光并用于配合第15透镜校正畸变和近轴的像差；

第15、16透镜为第三可动群组，完成收光并用于配合所述自由曲面反射镜校正畸变和近轴的像差；

所述第1透镜到第16透镜的光焦度分配为正、正、正、负、正、负、正、正、负、负、正、负、正、负、负、负；

所述第一可动群组、第二可动群组、第三可动群组将所述光学系统的投影范围扩大到70inch~120inch。

8.根据权利要求7所述的一种低影像偏置光学系统，其特征在于，所述自由曲面反射镜为塑胶材料，折射率nd取值为1.5。

9.根据权利要求1所述的一种低影像偏置光学系统，其特征在于，所述折射系统和所述反射系统产生正的屈光度，用于进行成像，所述折射系统的总长度为L1，即从第1透镜至第16透镜的距离，所述折射系统和所述反射系统之间的间距为L2，并符合条件式:0.5<L1/L2<1.0。