投影光学系统及投影设备
阅读说明：本技术 投影光学系统及投影设备 (Projection optical system and projection apparatus ) 是由 全丽伟 李建华 于 2020-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种投影光学系统。所述投影光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第三镜组、第二镜组以及第一镜组,所述第一镜组具有负光焦度,所述第二镜组具有正光焦度,所述第三镜组具有正光焦度；所述投影光学系统还包括移动组件,所述移动组件分别与所述第一镜组、所述第二镜组以及所述第三镜组连接,以带动所述第一镜组、所述第二镜组以及所述第三镜组共同移动,从而使投影光学系统在变倍过程中的像面位置不移动,从在同一投射距离下无需重复对焦,画面依然清晰。本发明技术方案通过对投影光学系统的光焦度进行合理分配,减小投影光学系统的总长,并将第一镜组、第二镜组以及第三镜组联动设置,实现变倍过程中保持画面清晰的效果。(The invention provides a projection optical system. The projection optical system sequentially comprises a display unit, a third lens group, a second lens group and a first lens group along a light transmission direction, wherein the first lens group has negative focal power, the second lens group has positive focal power, and the third lens group has positive focal power; the projection optical system further comprises a moving assembly, and the moving assembly is respectively connected with the first lens group, the second lens group and the third lens group to drive the first lens group, the second lens group and the third lens group to move together, so that the image surface position of the projection optical system in the zooming process does not move, repeated focusing is not needed in the same projection distance, and the image is still clear. According to the technical scheme, the focal power of the projection optical system is reasonably distributed, the total length of the projection optical system is reduced, and the first lens group, the second lens group and the third lens group are arranged in a linkage mode, so that the effect of keeping clear pictures in the zooming process is achieved.)
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种投影光学系统及投影设备。
背景技术
投影设备可在固定空间投射出不同大小的画面，其灵活性和方便性使得投影设备可在不同场合使用。显示单元与光学系统是投影设备中的核心部件，目前市场上的投影镜头多数采用多个镜组组合使用的方式进行设计，镜组的数量通常大于4个，当需求的投影设备的变倍比较大时，镜组的数量通常超过7个，严重增加了投影设备的组装与装配难度。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种投影光学系统，旨在解决投影设备的光学系统中镜组数量多，导致投影设备的组装及装配难度较大的问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种投影光学系统，所述投影光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第三镜组、第二镜组以及第一镜组，所述第一镜组、所述第二镜组以及所述第三镜组均至少包括一个透镜；
所述第一镜组、所述第二镜组与所述第三镜组能够沿光线传输方向相互移动；
所述第一镜组具有负光焦度，所述第二镜组具有正光焦度，所述第三镜组具有正光焦度；
所述投影光学系统还包括移动组件，所述移动组件分别与所述第一镜组、所述第二镜组以及所述第三镜组连接，以带动所述第一镜组、所述第二镜组以及所述第三镜组共同移动。
优选地，所述投影光学系统满足如下关系：
其中，
所述表示所述第一镜组的光焦度，所述表示所述
所述表示所述第二镜组的光焦度，所述
所述表示所述第三镜组的光焦度，所述
优选地，所述第一镜组的透镜、所述第二镜组以及所述第三镜组的透镜均为光学玻璃材质。
优选地，所述第一镜组沿光线传输方向依次包括第四透镜、第三透镜、第二透镜以及第一透镜；
所述第二镜组沿光线传输方向依次包括第七透镜、第六透镜以及第五透镜；
所述第三镜组沿光线传输方向依次包括第十四透镜、第十三透镜、第十二透镜、第十一透镜、第十透镜、第九透镜以及第八透镜。
优选地，所述第一透镜具有负光焦度；所述第二透镜具有负光焦度；
所述第三透镜具有负光焦度；所述第四透镜具有正光焦度；
所述第五透镜具有正光焦度；所述第六透镜具有负光焦度；
所述第七透镜具有正光焦度；所述第八透镜具有负光焦度；
所述第九透镜具有正光焦度；所述第十透镜具有负光焦度；
所述第十一透镜具有正光焦度；所述第十二透镜具有负光焦度；
所述第十三透镜具有正光焦度；所述第十四透镜具有正光焦度。
优选地，所述投影光学系统满足如下关系：
其中，
所述
所述表示所述第二透镜的光焦度，所述
所述
所述
所述
所述
所述
所述
所述
所述表示所述第十二透镜与所述第十三透镜胶合后的光焦度，所述表示所述的绝对值；
所述
优选地，所述投影光学系统满足：
75<VD3<95，所述表示VD3表示所述第三透镜的色散系数；
1.80<ND5<1.81，所述ND5表示所述第五透镜的折射率；
1.0<ND7/ND6<1.03，所述ND7表示所述第七透镜的折射率，所述ND6表示第六透镜的折射率。
优选地，所述投影光学系统还包括转向棱镜，所述转向棱镜间隔设置于所述第二镜组与所述显示单元之间。
优选地，所述投影光学系统还包括光阑，所述光阑设置于所述第一镜组与所述第二镜组之间。
本申请还提出一种投影设备，所述投影设备包括壳体与如上任一项实施方式所述的投影光学系统，所述投影光学系统收容于所述壳体内。
本发明技术方案通过对投影光学系统的第一镜组、第二镜组以及第三镜组的光焦度进行合理分配，使移动的镜组数量较少，解决投影镜头多数体积大且群组数量多的技术问题。本发明技术方案的投影光学系统包括：沿光线传输方向依次包括显示单元、第三镜组、第二镜组以及第一镜组，显示单元发出的光线依次经过第三镜组、第二镜组、第一镜组后在成像面成像。本发明的投影光学系统还包括移动组件，移动组件与第一镜组，第二镜组以及第三镜组连接，并带动第一镜组，第二镜组以及第三镜组共同移动。第一镜组具有负光焦度，第二镜组具有正光焦度，第三镜组具有正光焦度，第一镜组、第二镜组与第三镜组之间形成联动组合，一起相对显示单元进行移动，可使变倍过程中的像面位置不移动，从而实现同一投射距离下，变倍过程中无需对焦，画面依然清晰。
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为本发明一种投影光学系统实施例的结构示意图；
图2为本发明一种投影光学系统实施例的调制传递函数图；
图3为本发明一种投影光学系统实施例的垂轴色差图；
图4为本发明一种投影光学系统实施例的横向色差图；
图5为本发明一种投影光学系统实施例的场曲畸变图。
附图标号说明：
标号
名称
标号
名称
100
第一镜组
200
第二镜组
300
第三镜组
500
显示单元
400
转向棱镜
15
光阑
1
第一透镜
2
第二透镜
3
第三透镜
4
第四透镜
5
第五透镜
6
第六透镜
7
第七透镜
8
第八透镜
9
第九透镜
10
第十透镜
11
第十一透镜
12
第十二透镜
13
第十三透镜
14
第十四透镜
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，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)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，在本发明中涉及“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。
本发明提出了一种投影光学系统，如图1所示，所述投影光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元500、第三镜组300、第二镜组200以及第一镜组100；所述第一镜组100、所述第二镜组200以及所述第三镜组300均包括至少一个透镜；所述第一镜组100、所述第二镜组200与所述第三镜组300能够沿光线传输方向相互移动；具体的，所述投影光学系统还包括移动组件(图中未示出)，所述移动组件与第一镜组100，第二镜组200以及第三镜组300连接，并带动所述第一镜组100，第二镜组200以及第三镜组300共同移动，其中，所述第一镜组100、所述第二镜组200以及所述第三镜组300联动设置并沿相同方向移动，具体实施方式中，当所述第一镜组100向靠近显示单元500的一侧移动时，所述第二镜组200与所述第三镜组300共同向靠近显示单元500的一侧移动，于一具体实施例中，当所述第一镜组100向靠近显示单元500的一侧单元移动0.5mm时，所述第二镜组200向靠近显示单元500的一侧移动1mm，所述第三镜组300向靠近显示单元500一侧移动0.8mm，从而实现在同一投射距离下，变倍过程中无需重复对焦，画面依然清晰。
可以理解的是，第一镜组100、第二镜组200以及第三镜组300还可以为相对独立设置，并且分别与移动组件进行连接，当需要对光学系统进行变倍处理时，可以分别对第一镜组100、第二镜组200以及第三镜组300的位置分别进行调节，以改变投影光学系统的成像效果。
可以理解的是，移动组件包括操作部，当投影光学系统应用于投影设备时，操作部设于投影设备的壳体上，操作部用于方便用户对第一镜组100、第二镜组200以及第三镜组300之间的相对位置进行调节。
另外，第一镜组100具有负光焦度，第二镜组200具有正光焦度，第三镜组300具有正光焦度。
本发明技术方案中，变倍比是本技术方案的投影光学系统的最大焦距和最小焦距之比；投射比是衡量投影仪到屏幕的距离与投影画面的大小比值；光焦度表征光学系统偏折光线的能力，光焦度用
本实施例中，显示单元500、第三镜组300、第二镜组200以及第一镜组100沿光线传输方向依次排列，显示单元500发出的光线依次经过第三镜组300、第二镜组200以及第一镜组100后在成像面成像，第一镜组100、第二镜组200以及第三镜组300均包括至少一个透镜，当第一镜组100包括多个透镜时，多个镜头的相对位置固定，当第二镜组200包括多个透镜时，多个镜头的相对位置固定，当第三镜组300包括多个透镜时，多个镜头的相对位置固定；第一镜组100内的多个透镜、第二镜组200与第三镜组300内的多个透镜均可以沿着光线传输方向整体进行移动，具体表现在第一镜组100、第二镜组200与第三镜组300可以相对靠近或者远离显示单元500；本发明的投影光学系统从1倍到1.6倍变焦时，各个镜组之间的变焦移动间隔范围如下：第一镜组100与第二镜组200之间的间隔为0.66～2.72mm，第二镜组200与第三透镜组之间的间隔为11.39～12.00mm。第一镜组100、第二镜组200与第三镜组300之间形成联动组合，一起相对显示单元500进行移动，可使变倍过程中的像面位置不移动，从而实现同一投射距离下，变倍过程中无需对焦，画面依然清晰。本发明技术方案通过对投影光学系统的第三镜组300、第二镜组200以及第一镜组100的光焦度进行合理搭配，使移动镜组数变少，实现了较小的总长，提高装配良率，可进行批量化生产。
可以理解的是，显示单元500为显示芯片500，本发明优选地采用数字微镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)芯片，DMD芯片可相对于光轴偏离放置，偏离100％-110％。可以理解的是，于其他实施方式中，所述显示单元500还可以为硅基液晶(LiquidCrystal on Silicon，LCOS)，有机电激光显示(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)，液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)等。
优选地，所述投影光学系统满足如下关系： 其中，所述
本实施例中，沿着光线传输方向上，第三镜组300具有正的光焦度，即满足则经过第三镜组300可使光线曲折汇聚，第二镜组200具有正的光焦度，即满足则经过第二镜组200可使光线曲折汇聚，第一镜组100具有负的光焦度，即满足第一镜组100可使光线曲折发散。第三镜组300、第二镜组200以及第一镜组100按此光焦度参数排列，能用较少的群组实现1.6倍以上的变倍比，同时实现光学系统的投射比数值小于1.2。
优选地，所述第一镜组100、第二镜组200与所述第三镜组300的透镜均为光学玻璃材质。
本实施例中，投影光学系统的第一镜组100、第二镜组200和第三镜组300中各个透镜均为全玻璃镜片。目前投影仪镜头主要分两种：玻璃镜头与树脂镜头。由于树脂类材质强度不高，化学特性不稳定，很容易就受温度影响，从而使画面出现跑焦、虚焦等现象；对于画面来看，色彩还原度不及玻璃镜头。反观玻璃镜片硬度高、耐磨，其次在成像效果上，玻璃镜头相比树脂镜头普遍折射率偏高，投射出的画面色彩还原度高；在化学特性表现上来看，玻璃材质镜头更加稳定，不会因为热胀冷缩导致跑焦，也更耐腐蚀，提升镜头的使用寿命；因此采用全玻璃镜片较好地规避了树脂非球面镜头受热导致的热变形、虚焦等现象，玻璃镜片还具有不易变形、画面解像力及通透性较好的优点。
优选地，所述第一镜组100沿光线传输方向依次包括第四透镜4、第三透镜3、第二透镜2、第一透镜1；所述第二镜组200沿光线传输方向依次包括第七透镜7、第六透镜6、第五透镜5；所述第三镜组300沿光线传输方向依次包括第十四透镜14、第十三透镜13、第十二透镜12、第十一透镜11、第十透镜10、第九透镜9、第八透镜8。
本实施例中，投影光学系统沿光线传输路径上共设置有三个镜组，依次分别为第三镜组300、第二镜组200以及第一镜组100。其中，第十二透镜12与第十三透镜13胶合，第十透镜10与第十一透镜11胶合，第六透镜6与第七透镜7胶合，其中，第十二透镜12与第十三透镜13胶合、第十透镜10与第十一透镜11胶合、第六透镜6与第七透镜7胶合的胶合是通过胶水进行粘合。
可以理解的是，用于粘接的胶水可以是光学胶(Optically Clear Adhesive，OCA)，液体光学胶(Liquid Optically Clear Adhesive，LOCA)，紫外固化胶、聚氨酯胶中的至少一种。
优选实施方式中，所述第一透镜1具有负光焦度；所述第二透镜2具有负光焦度；所述第三透镜3具有负光焦度；所述第四透镜4具有正光焦度；所述第五透镜5具有正光焦度；所述第六透镜6具有负光焦度；所述第七透镜7具有正光焦度；所述第八透镜8具有负光焦度；所述第九透镜9具有正光焦度；所述第十透镜10具有负光焦度；所述第十一透镜11具有正光焦度；所述第十二透镜12具有负光焦度；所述第十三透镜13具有正光焦度；所述第十四透镜14具有正光焦度。
本实施例中，第一镜组100中，第一透镜1具有负光焦度，两面均凹向显示单元500，第一透镜1能对光线进行发散；第二透镜2的光焦度为负，第二透镜2为玻璃非球面透镜，两面均凹向显示单元500，第二透镜2能对光线进行发散；第三透镜3的光焦度为负，其两面均凸向显示单元500，第三透镜3能对光线进行发散；第四透镜4的光焦度为正，第四透镜4能对光线进行汇聚。
第二镜组200中，第五透镜5的光焦度为正，第五透镜5为玻璃非球面结构，其一面凸向显示单元500，另一面凸向第四透镜4，第五透镜5能对光线进行汇聚；第六透镜6与第七透镜7胶合连接，具体的，第六透镜6靠近显示单元500的一侧表面与第七透镜7远离显示单元500的一侧表面胶合。
第三镜组300中，第八透镜8光焦度为负，第八透镜8的两面均凸向显示单元500，第八透镜8能对光线进行发散，可减小进入后面镜片(第九透镜9)的光线入射角，降低系统制造敏感；第九透镜9光焦度为正，第九透镜9为双凸镜片，第九透镜9能对光线进行汇聚；所述第十透镜10和第十一透镜11组合的胶合透镜的光焦度为负，第十透镜10与第十一透镜11组合的胶合透镜能对光线进行发散；所述第十二透镜12与第十三透镜13组合的胶合透镜的光焦度为负，第十二透镜12与第十三透镜13组合的胶合透镜能对光线进行发散；第十四透镜14的光焦度为正，第十四透镜14为玻璃非球面，第十四透镜14能对光线进行汇聚。第三镜组300的透镜按此光焦度分配时，可校正前组剩余的球差和畸变等像差，实现高分辨率，高照度，并可降低后组透镜的装配难度，提高装配良率，实现批量化生产。
优选地，所述投影光学系统满足如下关系：
优选地，所述投影光学系统满足：75<VD3<95，所述表示VD3表示所述第三透镜3的阿贝数；1.80<ND5<1.81，所述ND5表示所述第五透镜5的折射率；1.0<ND7/ND6<1.03，所述ND7表示所述第七透镜7的折射率，所述ND6表示所述第六透镜6的折射率。
优选地，所述投影光学系统还包括光阑15，所述光阑15设置于所述第一镜组100与所述第二镜组之间。
本实施例中，第三透镜3的阿贝数满足75<VD3<95，可校正大视场的倍率色差，可减小进入后组镜片的光线入射角度，降低镜头的装配敏感度；第五透镜5折射率满足：1.80<ND5<1.81，可校正不同倍率光阑15球差和光阑15慧差，实现光圈值小于1.5；第六透镜6和第七透镜7为胶合透镜，光焦度满足：
具体的一个实施例中，光阑15设置于第一镜组100与第二镜组之间，具体的，设置在第四透镜4与第五透镜5之间，第一镜组100与第二镜组200相对于光阑15同向移动，即当第四透镜4沿光学系统的光轴方向靠近光阑15时，第五透镜5沿光学系统的光轴方向远离光阑15。在本发明的投影光学系统的变倍过程中，光阑15与显示单元500的距离保持不变，通过调整第一镜组100与第二镜组200的位置，实现光圈值的变化。
优选地，所述投影光学系统还包括转向棱镜400，所述转向棱镜400设置于所述第二镜组与所述显示单元500之间。
本发明的一个实施例中，示出当投射比、变倍比为1.6倍时的变焦投影镜头的实际设计参数请参照表1：
表1
其中，每个透镜均有两个面，上表中，S1、S2为第一透镜1的第一面、第二面的面参数编号，S3、S4为第二透镜2的第一面、第二面的面参数编号，S5、S6为第三透镜3的第一面、第二面的面参数编号，S7、S8为第四透镜4的第一面、第二面的面参数编号，STO为光阑15的面参数编号，S10、S11为第五透镜5的第一面、第二面的面参数编号，S12、S13、S14为第六透镜与第七透镜胶合后的胶合透镜6的第一面、第二面以及第三面的面参数编号，S15、S16为第八透镜8的第一面、第二面的面参数编号，S17、S18为第九透镜9的第一面、第二面的面参数编号，S19、S20、S21为第十透镜与第十一透镜胶合后的胶合透镜10的第一面、第二面以及第三面的面参数编号，S22、S23、S24为第十二透镜与第十三透镜胶合后的胶合透镜12的第一面、第二面以及第三面的面参数编号，S25、S26为第十四透镜14的第一面、第二面的面参数编号，S27、S28为转向棱镜400的第一面、第二面的面参数编号。
本发明的本实施例中，第二透镜2、第五透镜5、第十四透镜14为玻璃非球面透镜，且第二透镜2、第五透镜5和第十四透镜14的非球面的表面形状满足以下方程：
在公式中，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分别表示各径向坐标所对应的系数。
其中，第二透镜2、第五透镜5以及第十四透镜14各自的第一面和第二面的系数如下表2所示：
表2
本发明还提出一种投影装置，所述投影装置包括壳体与如上述任一实施方式所述的投影光学系统，所述投影光学系统收容于所述投影设备的壳体内，该投影光学系统的具体结构参照上述实施例，由于该投影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。
请参照图2，图2为第一实施例的调制传递函数图，其中，调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。调制传递函数的纵轴数值越高表示成像分辨率越高。在第一实施例中，所述光学系统在各个视场的MTF值均在0.5以上。
请参照图3，图3为第一实施例的轴向球差图，其中，具体的，轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向球差，用于评价轴上物点的成像质量。
请参照图4，图4为第一实施例的垂轴色差图，其中，垂轴色差又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，氢蓝光与氢红光在像面上的焦点位置的差值；在所述第一实施例中，所述光学系统的最大色散为所述光学系统的视场最大位置，所述光学系统的最大色差值小于2.9μm。
请参照图5，图5为第一实施例的场曲与光学畸变图，其中，场曲用于表示不同视场点的光束像点离开像面的位置变化，光学畸变是指某一视场主波长时的主光线与像面交点离开理想像点的垂轴距离；在所述第一实施例中，在切线面以及弧矢面的场曲均小于±0.25mm，最大畸变＜1％。
以上所述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，凡是在本发明的构思下，利用本发明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发明的专利保护范围内。
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