一种曲面投影光学系统的制作方法

[0001]
本发明涉及曲面投影系统技术领域，特别涉及一种曲面投影光学系统。


背景技术：

[0002]
投影显示相较于其它显示技术，更胜任大尺寸，投影画面尺寸涵盖40英寸至300英寸以上。同时，投影显示的分辨率也持续提升，从最初的480p发展到目前的4k，以及未来的8k。投影显示系统的投射比，也从1以上持续减小到0.4以下，投射比小于0.4的光学系统被称为超短焦系统，如公告号为cn101395516等公开的投影光学系统，均是投射比<0.4的投影系统，在1米空间内都能投影出100英寸以上的画面。
[0003]
而人们对显示技术的期望有多个方面，除了大的显示尺寸和高的分辨率外，还期望更丰富的色彩和更逼真的沉浸感。投影显示光源光谱带越窄，显示的色彩越丰富，光谱带宽从大到小排列，高压汞灯>led光源>激光光源。
[0004]
目前，基于超短焦的投影显示系统，还没有增强观感沉浸度的技术方案。为此，本发明提供一种采用凹球形投影显示画面的光学系统，以增强观感沉浸度。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种曲面投影光学系统，可有效增强观感沉浸度，从而满足用户更多的使用需求。
[0006]
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
[0007]
一种曲面投影光学系统，包括微显示芯片，且沿所述微显示芯片的出射光路方向的一侧依次设有棱镜等效单元、作为折射光学系统的第一子光学系统及作为反射光学系统的第二子光学系统，在微显示芯片的另一侧设有凹球面形状的屏幕；所述微显示芯片为曲面投影光学系统的物，经过第一子光学系统成放大的实像并称为第一实像，所述第一实像经第二子光学系统成最终放大的最终实像并投影成像到屏幕，其中，所述第二子光学系统的光焦度不为零，所述第一实像及最终实像位于第二子光学系统的同一侧。
[0008]
进一步地，所述曲面投影光学系统的焦距为f，且满足以下条件：
[0009]
其中，h为微显示芯片的对角线长度，在投影成像光学系统中，当投影画面尺寸一定，随着焦距减小，整个系统畸变和倍率色差持续增大，一般地，投影显示要求全画面畸变<0.5％，倍率色差<1像素，本方案中，投影镜头焦距为f，芯片对角线为h，投影画面对角线为h，投影镜头到投影画面的距离为l，则：变化得而多数情况下，人们都希望在小的投影距离获得大投影画面，但在此状况下，光学设计难以同时满足分辨率和畸变的要求，一般地，投影画面对角线与投影距离的比值小于8，极端情况也将小于10。
[0010]
进一步地，所述屏幕的半径为r，所述最终实像的画面对角线长度为h，则r与h满足
以下关系：具体的，观看距离，一般为画面对角线的1倍至5倍，而曲面屏的曲率半径应该等于或超过该观影距离，r达到观影距离4倍，则曲面带来的沉浸感提升就非常弱，因此，本方案中设定为如上关系，可最大的提升曲面带来的沉浸感。
[0011]
进一步地，所述第一子光学系统及第二子光学系统对应由若干非球面透镜和非球面反射镜构成。
[0012]
进一步地，所述曲面投影光学系统的所有非球面透镜和非球面反射镜表面的形状都由如下曲线方程表示：
[0013][0014]
所述曲线方程表示的非球面为旋转对称非球面，且以z轴为对称轴，其中，z(r)表示曲面在z轴方向的矢高，r表示曲面任意点的旋转半径，c为曲面曲率，k为二次曲面常数，a、b、c、d、e、f、g、h、j为非球面高次项系数。
[0015]
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
[0016]
本发明的曲面投影光学系统，可具体应用于球面投影光学系统，其屏幕相对观众呈凹面状态，是一种较为新颖的屏幕呈现方式，且通过本发明的曲面投影光学系统，可以实现最大化的增强观感沉浸度，从而提升观众的观感体验。
附图说明
[0017]
图1是本发明的曲面投影光学系统的曲面投影显示示意图。
[0018]
图2是实施例一的曲面投影光学系统的光路示意图。
[0019]
图3是图2中a部的放大示意图。
[0020]
图4是实施例一的曲面投影光学系统的方波调制传递函数示意图。
[0021]
图5是实施例一的曲面投影光学系统的畸变曲线示意图。
[0022]
图6是实施例二的曲面投影光学系统的光路示意图。
[0023]
图7是实施例二的曲面投影光学系统的方波调制传递函数示意图。
[0024]
图8是实施例二的曲面投影光学系统的畸变曲线示意图。
[0025]
图9是实施例三的曲面投影光学系统的光路示意图。
[0026]
图10是实施例三的曲面投影光学系统的方波调制传递函数示意图。
[0027]
图11是实施例三的曲面投影光学系统的畸变曲线示意图。
[0028]
附图标记：1-曲面投影光学系统，2-屏幕，100-微显示芯片，200-棱镜等效单元，300-第一子光学系统，400-第二子光学系统，500-第一实像。
具体实施方式
[0029]
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
[0030]
实施例：
[0031]
如图1所示，一种曲面投影光学系统1，包括微显示芯片100，且沿微显示芯片的出射光路方向的一侧依次设有棱镜等效单元200、作为折射光学系统的第一子光学系统300及作为反射光学系统的第二子光学系统400，在微显示芯片的另一侧设有凹球面形状的屏幕
2；微显示芯片为曲面投影光学系统的物，经过第一子光学系统成放大的实像并称为第一实像500，第一实像经第二子光学系统成最终放大的最终实像并投影成像到屏幕，其中，第二子光学系统的光焦度不为零，第一实像及最终实像位于第二子光学系统的同一侧。
[0032]
具体的，本实施例中，曲面投影光学系统的焦距为f，且满足以下条件：
[0033]
其中，h为微显示芯片的对角线长度。
[0034]
在投影成像光学系统中，当投影画面尺寸一定，随着焦距减小，整个系统畸变和倍率色差持续增大，一般地，投影显示要求全画面畸变<0.5％，倍率色差<1像素，本方案中，投影镜头焦距为f，芯片对角线为h，投影画面对角线为h，投影镜头到投影画面的距离为l，则：变化得而多数情况下，人们都希望在小的投影距离获得大投影画面，但在此状况下，光学设计难以同时满足分辨率和畸变的要求，一般地，投影画面对角线与投影距离的比值小于8，极端情况也将小于10。
[0035]
对于全折射镜头，投影画面对角线与投影距离的比值一般小于1.5，即使采用自由曲面透镜，比值也将小于2.5。比如，0.65英寸芯片，2m投影距离，显示画面达到120英寸，已经属于折射式短焦设计，此时镜头的焦距为10.8mm，投影画面对角线与透镜距离的比值为1.52。
[0036]
具体的，本实施例中，屏幕的半径为r，最终实像的画面对角线长度为h，则r与h满足以下关系：
[0037]
实际中，观看距离，一般为画面对角线的1倍至5倍，而曲面屏的曲率半径应该等于或超过该观影距离；r达到观影距离4倍，则曲面带来的沉浸感提升就非常弱，因此，本方案中设定r与h满足如上关系，可最大的提升曲面带来的沉浸感。
[0038]
本实施例中，第一子光学系统及第二子光学系统对应由若干非球面透镜和非球面反射镜构成。其中，曲面投影光学系统的所有非球面透镜和非球面反射镜表面的形状都由如下曲线方程表示：
[0039][0040]
曲线方程表示的非球面为旋转对称非球面，且以z轴为对称轴，其中，z(r)表示曲面在z轴方向的矢高，r表示曲面任意点的旋转半径，c为曲面曲率，k为二次曲面常数，a、b、c、d、e、f、g、h、j为非球面高次项系数。
[0041]
实施例一：
[0042]
如图2和图3所示，为本实施例的曲面投影光学系统的光路示意图，在本实施例的曲面投影光学系统中，整个曲面投影光学系统的焦距f为3.966mm，显示芯片对角线h长度为17.6mm，满足的关系式，同时，投影显示画面对角线h为2550mm，球形屏幕的半径r为5000mm，也满足关系式
[0043]
本实施例中，所有非球面透镜和非球面反射镜表面的形状都由如下曲线方程表
示：
[0044][0045]
曲线方程表示的非球面为旋转对称非球面，且以z轴为对称轴，其中，z(r)表示曲面在z轴方向的矢高，r表示曲面任意点的旋转半径，c为曲面曲率，k为二次曲面常数，a、b、c、d、e、f、g、h、j为非球面高次项系数。
[0046]
具体的，本实施例的曲面投影光学系统中，具体的光学结构参数表具体如表1所示，各非球面系数具体如表2所示。
[0047]
表1(光学结构参数表)：
[0048]
[0049][0050]
表2：(非球面系数表)
[0051][0052]
具体的，本实施例的曲面投影光学系统的方波调制传递函数如图4所示，可知，在投影画面处，1线对的传递函数超过0.6，满足原生4k分辨率或像素漂移8k投影显示需求，同时，本实施例中，内环物高2.3mm，外环物高13.36mm，具体的畸变曲线如图5所示，可知，全视场畸变都控制在0.5％以内，满足使用需求。
[0053]
实施例二
[0054]
如图6所示为本实施例的曲面投影光学系统的光路示意图，在本实施例的曲面投
影光学系统中，整个曲面投影光学系统的焦距f为3.961mm，最大物高(即显示芯片对角线长度)h为17.6mm，满足的关系式，同时，投影显示画面对角线h为2550mm，球形屏幕的半径r为8000mm，也满足关系式
[0055]
本实施例中，所有非球面透镜和非球面反射镜表面的形状都由如下曲线方程表示：
[0056][0057]
曲线方程表示的非球面为旋转对称非球面，且以z轴为对称轴，其中，z(r)表示曲面在z轴方向的矢高，r表示曲面任意点的旋转半径，c为曲面曲率，k为二次曲面常数，a、b、c、d、e、f、g、h、j为非球面高次项系数。
[0058]
具体的，本实施例的曲面投影光学系统中，具体的光学结构参数表具体如表3所示，各非球面系数具体如表4所示。
[0059]
表3(光学结构参数表)：
[0060]
[0061][0062]
表4：(非球面系数表)
[0063][0064]
具体的，本实施例的曲面投影光学系统的方波调制传递函数如图7所示，可知，在投影画面处，1线对的传递函数超过0.6，满足原生4k分辨率或像素漂移8k投影显示需求，同时，本实施例中，内环物高2.3mm，外环物高13.36mm，具体的畸变曲线如图8所示，可知，全视场畸变都控制在0.5％以内，满足使用需求。
[0065]
实施例三
[0066]
如图9所示为本实施例的曲面投影光学系统的光路示意图，在本实施例的曲面投影光学系统中，整个曲面投影光学系统的焦距f为3.955mm，最大物高(即显示芯片对角线长度)h为17.6mm，满足的关系式，同时，投影显示画面对角线h为2550mm，球形屏幕的半径r为10000mm，也满足关系式
[0067]
本实施例中，所有非球面透镜和非球面反射镜表面的形状都由如下曲线方程表示：
[0068][0069]
曲线方程表示的非球面为旋转对称非球面，且以z轴为对称轴，其中，z(r)表示曲面在z轴方向的矢高，r表示曲面任意点的旋转半径，c为曲面曲率，k为二次曲面常数，a、b、c、d、e、f、g、h、j为非球面高次项系数。
[0070]
具体的，本实施例的曲面投影光学系统中，具体的光学结构参数表具体如表5所示，各非球面系数具体如表6所示。
[0071]
表5(光学结构参数表)：
[0072]
[0073][0074]
表6：(非球面系数表)
[0075][0076]
具体的，本实施例的曲面投影光学系统的方波调制传递函数如图10所示，可知，在投影画面处，1线对的传递函数超过0.6，满足原生4k分辨率或像素漂移8k投影显示需求，同时，本实施例中，内环物高2.3mm，外环物高13.36mm，具体的畸变曲线如图11所示，可知，全视场畸变都控制在0.5％以内，满足使用需求。
[0077]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。