光学系统及投影设备

技术领域

本发明涉及光学设备技术领域，尤其是涉及一种光学系统及投影设备。

背景技术

近年来随着投影技术的发展，超短焦投影镜头以其短距离投影大画面的特点，被广泛应用于家用，办公等领域。目前市场上的超短焦投影镜头设计主要采用折射透镜组加反射透镜组的结构，为了达成高分辨，往往会使用较多的球面镜片，使得设备体积较大。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光学系统及投影设备，旨在解决现有的超短焦投影镜往往会使用较多的球面镜片，使得设备体积较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种光学系统，所述光学系统包括沿光线传输方向依次分布的显示单元、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组以及反射镜；其中，

所述第一透镜组的光焦度为φ1，0.03≤|φ1|≤0.06；

所述第二透镜组的光焦度为φ2，0.005≤|φ2|≤0.01；

所述第三透镜组的光焦度为φ3，0.04≤|φ3|≤0.07；

所述反射镜的光焦度为φ4，0.06≤|φ4|≤0.07；以及，

所述第三透镜组靠近所述反射镜一侧到所述反射镜的最大距离为T1，所述第一透镜组靠近所述显示单元一侧到所述第三透镜组靠近所述反射镜一侧的距离为T2，1≤T2/T1≤1.5。

可选地，所述第一透镜组的光焦度φ1及所述第二透镜组的光焦度φ2为正，所述第三透镜组的光焦度φ3为负，所述第二透镜组和所述第三透镜组沿光线传输方向同步活动设置；

所述第二透镜组和所述第三透镜组的光焦度满足：7≤|φ3/φ2|≤10。

可选地，所述第一透镜组包括沿光线传输方向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、第六透镜、第七透镜、第八透镜及第九透镜；

所述第二透镜组包括沿光线传输方向依次设置的第十透镜及第十一透镜；

所述第三透镜组包括沿光线传输方向依次设置的第十二透镜及第十三透镜。

可选地，所述第十透镜、所述第十一透镜及所述第十三透镜为非球面镜片。

可选地，所述第十透镜的光焦度φ21及所述第十三透镜组的光焦度φ32为正，所述第十一透镜的光焦度φ22为负，且所述第十透镜、所述第十一透镜及所述第十三透镜为塑胶非球面镜片；

其中，0.006≤|φ21|≤0.007，0.02≤|φ22|≤0.03，0.02≤|φ32|≤0.03，且-0.01<φ21+φ22+φ31<-0.005。

可选地，所述第二透镜及所述第六透镜为玻璃非球面镜片；

所述第十透镜、所述第十一透镜、所述第十三透镜及所述反射镜为塑胶非球面镜片。

可选地，所述第二透镜的光焦度为正，且为玻璃非球面镜片。

可选地，所述第三透镜、所述第四透镜与所述第五透镜为胶合镜片；和/或，

所述第七透镜与所述第八透镜为胶合镜片。

可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜及所述第十一透镜的光焦度为正；

所述第四透镜、所述第七透镜、所述第十二透镜及所述第十三透镜的光焦度为负。

此外，本发明还提供一种投影设备，所述投影设备包括如上任意一项所述光学系统。

本发明提供的光学系统包括沿光线传输方向依次分布的显示单元、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组以及反射镜；其中，所述第一透镜组的光焦度为φ1，0.03≤|φ1|≤0.06；所述第二透镜组的光焦度为φ2，0.005≤|φ2|≤0.01；所述第三透镜组的光焦度为φ3，0.04≤|φ3|≤0.07；所述反射镜的光焦度为φ4，0.06≤|φ4|≤0.07；以及，所述第三透镜组靠近所述反射镜一侧到所述反射镜的最大距离为T1，所述第一透镜组靠近所述显示单元一侧到所述第三透镜组靠近所述反射镜一侧的距离为T2，1≤T2/T1≤1.5。当各透镜组按照上述光焦度及距离设置时，可实现0.2以下的投射比，以获得较好的观看体验，同时减小系统的体积，便于运输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明提供的光学系统的一实施例的结构示意图；

图2为图1中第一透镜组的结构示意图；

图3为图1中第二透镜组及第三透镜组的结构示意图；

图4为图1中光学系统的MTF曲线示意图；

图5为图1中光学系统的场曲与畸变曲线示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、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

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态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，若本发明实施例中有涉及“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，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，也不在本发明要求的保护范围之内。

近年来随着投影技术的发展，超短焦投影镜头以其短距离投影大画面的特点，被广泛应用于家用，办公等领域。目前市场上的超短焦投影镜头设计主要采用折射透镜组加反射透镜组的结构，为了达成高分辨，往往会使用较多的球面镜片，使得设备体积较大。

鉴于此，本发明提供一种光学系统及投影设备，旨在解决现有的超短焦投影镜往往会使用较多的球面镜片，使得设备体积较大的技术问题。图1至图5为本发明提供的光学系统及投影设备的具体实施例。

请参阅图1至图3，本发明提供的光学系统100包括沿光线传输方向依次分布的显示单元1、第一透镜组2、第二透镜组3、第三透镜组4以及反射镜5；其中，所述第一透镜组2的光焦度为φ1，0.03≤|φ1|≤0.06；所述第二透镜组3的光焦度为φ2，0.005≤|φ2|≤0.01；所述第三透镜组4的光焦度为φ3，0.04≤|φ3|≤0.07；所述反射镜5的光焦度为φ4，0.06≤|φ4|≤0.07；以及，所述第三透镜组4靠近所述反射镜5一侧到所述反射镜5的最大距离为T1，所述第一透镜组2靠近所述显示单元1一侧到所述第三透镜组4靠近所述反射镜5一侧的距离为T2，1≤T2/T1≤1.5。当各透镜组按照上述光焦度及距离设置时，可实现0.2以下的投射比，以获得较好的观看体验，同时减小系统的体积，便于运输。

需要说明的是，在本实施例中，所述光学系统100为光学镜头。此外，所述显示单元1的设置形式不做限制，在本实施例中，所述显示单元1包括沿光线传输方向依次设置的DMD芯片11及等效棱镜12。具体地，光线传输的路径如下：影像光束从DMD芯片11发出，先经过等效棱镜12，再经过各透镜组，影像光束在透镜组中第一次成像，第一次成像光束在透镜组和反射镜5之间进行第二次成像，反射镜5将第二次成像反射至投影屏幕形成第三次成像。上述透镜组包括所述第一透镜组2、所述第二透镜组3及所述第三透镜组4。

此外，在一实施例中，所述第一透镜组2的光焦度为正，且所述第一透镜组2相对DMD芯片11静止。所述第二透镜组3及所述第三透镜组4的光焦度为负，且所述第二透镜组3与所述第三透镜组4相对DMD芯片11沿光线传输方向同步活动设置。

可以理解的是，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100偏折光线的能力。光焦度常用字母φ表示，折射球面光焦度φ＝(n'-n)/r＝n'/f'＝-n/f，其中n'为像方折射率，n为物方折射率，r为球面半径，f'为像焦距，f为物焦距。一般光焦度表示为像方焦距的倒数，φ的数值越大，平行光束折得越厉害；φ>0时，屈折是会聚性的；φ<0时，屈折是发散性的。φ＝0时，对应于平面折射，这时，沿轴平行光束经折射后仍是沿轴平行光束，不出现屈折现象。

进一步地，所述第一透镜组2的光焦度φ1及所述第二透镜组3的光焦度φ2为正，所述第三透镜组4的光焦度φ3为负，所述第二透镜组3和所述第三透镜组4沿光线传输方向同步活动设置；所述第二透镜组3和所述第三透镜组4的光焦度满足：7≤|φ3/φ2|≤10。从而可实现不同投射距离下清晰度以及畸变不变。

进一步地，所述第一透镜组2包括沿光线传输方向依次设置的第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25、第六透镜26、第七透镜27、第八透镜28及第九透镜29；所述第二透镜组3包括沿光线传输方向依次设置的第十透镜31及第十一透镜32；所述第三透镜组4包括沿光线传输方向依次设置的第十二透镜41及第十三透镜42。此外，在一实施例中，所述第八透镜28与所述第九透镜29之间还设有光阑6。需要说明的是，光阑6是指在光学系统100中对光束起着限制作用的实体。它可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏。具体地，光阑6的作用可分为限制光束和限制视场(成像范围)大小。

具体地，在本实施例中，T1指的是所述第十三透镜42靠近所述反射镜5一侧的中心到所述反射镜5的最大距离。T2指的是所述第一透镜21靠近所述显示单元1一侧的中心到所述第十三透镜42靠近所述反射镜5一侧的中心之间的距离。

更进一步地，所述第十透镜31、所述第十一透镜32及所述第十三透镜42为非球面镜片。如此，达到校正镜头畸变和场曲，实现较大投射比的效果，避免影像失真，以便于用户能够获得更佳的观看体验。

需要说明的是，为了追求镜片薄度就需要改变镜片的曲面，以往采用球面设计，使得像差和变形增大，结果出现明显的影像不清，视界歪曲、视野狭小等不良现象。而非球面的设计，修正了影像，解决视界歪曲等问题，同时，使镜片更轻、更薄、更平。而且，非球面仍然保持优异的抗冲击性能，使配戴者安全使用。

具体地，所述第十透镜31的光焦度φ21及所述第十三透镜42组的光焦度φ32为正，所述第十一透镜32的光焦度φ22为负，且所述第十透镜31、所述第十一透镜32及所述第十三透镜42为塑胶非球面镜片；其中，0.006≤|φ21|≤0.007，0.02≤|φ22|≤0.03，0.02≤|φ32|≤0.03，且-0.01<φ21+φ22+φ31<-0.005。当所述第十透镜31、所述第十一透镜32及所述第十三透镜42按照上述光焦度分配时，可实现高温工作时不虚焦，从而使得镜头能够在高温环境时投射更为清晰的影像。

具体地，所述第二透镜22及所述第六透镜26为玻璃非球面镜片；所述第十透镜31、所述第十一透镜32、所述第十三透镜42及所述反射镜5为塑胶非球面镜片。一般而言，玻璃镜片的成像效果相对塑胶镜片的成像效果好，但价格相对塑胶镜片高。如此设置，在提高成像效果的同时，达到降低成本的效果，且降低镜头质量，实现镜头的轻量化。

进一步地，所述第二透镜22的光焦度为正，且为玻璃非球面镜片。如此设置可校正大视场产生的慧差和畸变。需要说明的是，由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统100发出的单色圆锥形光束，经该光学系统100折射后，若在理想平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的彗星形光斑，则此光学系统100的成像误差称为彗差。

进一步地，所述第三透镜23、所述第四透镜24与所述第五透镜25为胶合镜片；和/或，所述第七透镜27与所述第八透镜28为胶合镜片。具体地，在一实施例中，所述第三透镜23、所述第四透镜24以及所述第五透镜25通过光学胶水粘合，所述第七透镜27与所述第八透镜28通过光学胶水粘合。从而使得镜头能够取得短焦长、大放大率及较好成像质量。

进一步地，所述第一透镜21、所述第二透镜22、所述第三透镜23、所述第五透镜25、所述第六透镜26、所述第八透镜28、所述第九透镜29、所述第十透镜31及所述第十一透镜32的光焦度为正；所述第四透镜24、所述第七透镜27、所述第十二透镜41及所述第十三透镜42的光焦度为负。

具体地，在本实施例中，投射比为0.21、分辨率为1080P，适用于0.47英寸DMD芯片11的镜头的实际设计参数如下表1所示。

表1光学系统100各个透镜的参数

需要说明的是，在本实施例中，所述第一透镜21至所述第十三透镜42沿光线传输方向具有光线入光面与出光面。具体地，为等效棱镜面S1、第一透镜入光面S2、第一透镜出光面S3、第二透镜入光面S4、第二透镜出光面S5、第三透镜入光面S7、第五透镜出光面S9、第六透镜入光面S10、第六透镜出光面S11、第七透镜入光面S12、第八透镜出光面S14、第九透镜入光面S15、第九透镜出光面S16、第十透镜入光面S17、第十透镜出光面S18、第十一透镜入光面S190、第十一透镜出光面S20、第十二透镜入光面S21、第十二透镜出光面S22、第十三透镜入光面S23、第十三透镜出光面S24、反射镜面S25。

其中，所述第三透镜23与所述第四透镜24的胶合面为S7，所述第四透镜24与所述第五透镜25的胶合面为S8，所述第七透镜27与所述第八透镜28的胶合面为S13。

此外，所述第二透镜22、所述第六透镜26、所述第十透镜31、所述第十一透镜32、所述第十三透镜42及所述反射镜5的非球面的表面形状满足以下方程：

其中，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分别表示各径向坐标所对应的系数。

具体地，在本实施例中，各非球面的偶次项系数如下表2所示。

表2第2、6、10、11、13透镜及反射镜5非球面的各系数

其中，E-001表示的是10的-1次方，E-002表示的是10的-2次方……，E-010表示的是10的-10次方，依此类推，E-N表示的是10的-N次方。

此外，在一实施中，请参阅图4及图5，所述光学系统100的投射范围为0.34m至0.44m，在对焦时，所述第二透镜组3和所述第三透镜组4联动进行对焦，且对焦时各透镜组之间的间隔变化范围如下：所述第一透镜组2与所述第二透镜组3之间的间隔为2.8～3.2mm，所述第二透镜组3与所述第三透镜组4之间的间隔为10.2～10.4mm，所述第三透镜组4与所述反射镜5之间的间隔为65.0～65.4mm。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种投影设备，所述投影设备包括上述技术方案所述的光学系统100。需要说明的是，所述投影设备的光学系统100的详细结构可参照上述光学系统100的实施例，此处不再赘述；由于在本发明的投影设备中使用了上述光学系统100，因此，本发明投影设备的实施例包括上述光学系统100全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。