本发明涉及光学透镜领域，尤其涉及一种短焦投影物镜以及光纤扫描投影设备。
背景技术
光纤扫描投影设备作为新型的投影设备，通过控制扫描光纤进行有规律的抖动，同时出射相应色彩的光线，这样即能够进行扫描投影，但是，由于扫描光纤的端面图像范围在1～2mm，图像靶面较小，而现有技术中对大尺寸的投射画面需求较大，而长焦投影物镜需要光路较长，且容易导致投影光线被遮挡，因此需要在扫描光纤的出射端设置短焦投影物镜。
因此，现有技术中亟需短焦投影物镜。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种短焦投影物镜以及光纤扫描投影设备，用以满足现有技术中对短焦投影物镜的需求。
为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供了一种短焦投影物镜，包括设置在共同光轴上的四片透镜和一个光阑，从面向投影像面开始依次设置：具有正光焦度的第一透镜；光阑；具有负光焦度的第二透镜；具有正光焦度的第三透镜；具有正光透镜的第四透镜；
各透镜满足以下关系式：0.75<f1/fw<0.85、-0.4<f2/fw<-0.5、0.8<f3/fw<0.9、2.5<f4/fw<3；其中，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距，f4为所述第四透镜的焦距，fw为所述短焦投影物镜的总焦距。
可选地，所述第一透镜和所述第四透镜采用相同材料，所述第二透镜和第三透镜采用相同材料；
各透镜的折射率满足以下关系式：1.70<n1<1.80、1.65<n2<1.70、1.65<n3<1.70、1.70<n4<1.80；其中，n1为所述第一透镜的折射率，n2为所述第二透镜的折射率，n3为所述第三透镜的折射率，n4为所述第四透镜的折射率。
可选地，所述第一透镜和所述第四透镜采用低色散材料，所述第二透镜和所述第三透镜采用高色散材料；
各透镜的阿贝数满足以下关系式：50<v1<60、25<v2<35、25<v3<35、50<v4<60；其中，v1为所述第一透镜的阿贝数，v2为所述第二透镜的阿贝数，v3为所述第三透镜的阿贝数，v4为所述第四透镜的阿贝数。
可选地，低色散材料选自sfpl51y_ohara、bsm51y_ohara、sfsl5y_ohara或bsl7y_ohara；
高色散材料选自pbm18y_ohara、pbl6y_ohara或pbl25y_ohara。
可选地，所述第一透镜为平凸透镜，所述第一透镜的凸面朝向所述投影像面；
所述第二透镜为凹透镜；
所述第三透镜为弯月透镜，所述第三透镜的凹面朝向所述第二透镜；
所述第四透镜为弯月透镜，所述第四透镜的凸面朝向所述第三透镜。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜为玻璃镜片。
可选地，所述短焦投影物镜的半线视场大小为0.55mm。
本发明实施例第二方面提供了一种光纤扫描投影设备，包括：
如第一方面所述的短焦投影物镜；
光纤扫描投影装置，设置于所述短焦投影物镜的入射端。
可选地，所述光纤扫描投影装置包括光源、扫描光纤；
所述光源包括红色发光单元、绿色发光单元、蓝色发光单元和合光单元，所述合光单元用于将所述红色发光单元、所述绿色发光单元和所述蓝色发光单元各自出射的光线组合在一起。
可选地，所述光纤扫描投影设备还包括耦合装置，所述耦合装置用于将所述光源出射的光线耦合入所述扫描光纤中。
本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
本发明实施例提供的短焦投影物镜满足了现有技术的需求，并且结构简单，系统体积小，便于系统集成，方便用于可穿戴显示领域。
附图说明
图1为本发明实施例提供的短焦投影物镜的结构图；
图2为本发明实施例提供的短焦投影物镜的光学系统的传递函数图；
图3为本发明实施例提供的短焦投影物镜的光学系统的系统场曲和畸变图；
图4为本发明实施例提供的短焦投影物镜的光学系统的点列图；
图5a为本发明实施例提供的光纤扫描投影设备的第一种实现方式的结构图；
图5b为本发明实施例提供的光纤扫描投影设备的第二种实现方式的结构图。
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。
本发明实施例提供一种短焦投影物镜以及光纤扫描投影设备，用以满足现有技术中对短焦投影物镜的需求。
本发明实施例第一方面提供一种短焦投影物镜，包括设置在共同光轴上的四片透镜和一个光阑，请参考图1，图1为本发明实施例提供的短焦投影物镜的结构图，如图1所示，该短焦投影物镜从面向投影像面30开始依次设置：具有正光焦度的第一透镜101；光阑111；具有负光焦度的第二透镜102；具有正光焦度的第三透镜103；具有正光透镜的第四透镜104；该短焦投影物镜的入射端为105；
各透镜满足以下关系式：0.75<f1/fw<0.85、-0.4<f2/fw<-0.5、0.8<f3/fw<0.9、2.5<f4/fw<3；其中，f1为第一透镜101的焦距，f2为第二透镜102的焦距，f3为第三透镜103的焦距，f4为第四透镜104的焦距，fw为短焦投影物镜的总焦距。
请参考结合图1和表1-5，表1-5给出了短焦投影物镜中各个器件的具体设计值示例，需要说明的是，在表1-5中，正的曲率半径值表示曲率中心在表明的右边，负的曲率半径值表示曲率中心在表面的左边，“infinity”表示无穷大。
短焦投影物镜的参数：总焦距为1.215mm，第一透镜101的焦距为0.958mm，第二透镜102的焦距为-0.602mm，第三透镜103的焦距为1.052mm，第四透镜104的焦距为3.376mm。
表1第一透镜101的具体设计值示例
表2光阑111的具体设计值示例
表3第二透镜102的具体设计值示例
表4第三透镜103的具体设计值示例
表5第四透镜104的具体设计值示例
其中，本发明实施例提供的短焦投影物镜的最佳投影面与第四透镜104之间的距离为0.639mm，而投影像面30的大小不做限定，以能够满足实际投影的需要即可，在此就不再赘述了。
需要注意的是，如图1和表1-5中所示，投影像面30与第一透镜101之间的距离为1m，但为了清楚地介绍本发明实施例提供的短焦投影物镜的结构，图1中投影像面30与第一透镜101之间的距离，与短焦投影物镜中各透镜之间的距离是不成比例的。
在实际应用中，第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103和第四透镜104可以利用微纳工艺等特殊工艺进行生产制造，以满足镜片厚度要求。当然，本领域所属的技术人员也能够根据实际情况，在不影响镜片的光学性质的情况下，适度地调整短焦投影物镜中各个器件的参数，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了。
请参考图2，图2为本发明实施例提供的短焦投影物镜的光学系统的传递函数图。
请继续参考图3，图3为本发明实施例提供的短焦投影物镜的光学系统的系统场曲和畸变图，如图3所示，表明了本实施例提供的短焦投影物镜的场曲和畸变均良好。
请继续参考图4，图4为本发明实施例提供的短焦投影物镜的光学系统的点列图。
通过上述部分可以看出，本发明实施例提供的短焦投影物镜满足了现有技术的需求，并且结构简单，系统体积小，便于系统集成，方便用于可穿戴显示领域。
在具体实施过程中，第一透镜101和第四透镜104采用相同材料，第二透镜102和第三透镜103采用相同材料；
各透镜的折射率满足以下关系式：1.70<n1<1.80、1.65<n2<1.70、1.65<n3<1.70、1.70<n4<1.80；其中，n1为第一透镜101的折射率，n2为第二透镜102的折射率，n3为第三透镜103的折射率，n4为第四透镜104的折射率。
在具体实施过程中，第一透镜101和第四透镜104采用低色散材料，第二透镜102和第三透镜103采用高色散材料；
各透镜的阿贝数满足以下关系式：50<v1<60、25<v2<35、25<v3<35、50<v4<60；其中，v1为第一透镜101的阿贝数，v2为第二透镜102的阿贝数，v3为第三透镜103的阿贝数，v4为第四透镜104的阿贝数。
在具体实施过程中，低色散材料选自sfpl51y_ohara、bsm51y_ohara、sfsl5y_ohara或bsl7y_ohara；高色散材料选自pbm18y_ohara、pbl6y_ohara或pbl25y_ohara。需要说明的是，sfpl51y_ohara是指奥哈拉公司(ohara)生产的编号为sfpl51y的玻璃，其他编号的材料类似，在此就不再赘述了。
在具体实施过程中，请继续参考图1，如图1所示，第一透镜101为平凸透镜，第一透镜101的凸面朝向投影像面30；
第二透镜102为凹透镜；
第三透镜103为弯月透镜，第三透镜103的凹面朝向第二透镜102；
第四透镜104为弯月透镜，第四透镜104的凸面朝向第三透镜103。
在具体实施过程中，第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103和第四透镜104为玻璃镜片。
在具体实施过程中，短焦投影物镜的半线视场大小为0.55mm。半线视场大小是指短焦投影物镜的图像源的半高，这样，短焦投影物镜正好与扫描光纤投射的图像靶面大小相适应。
本发明实施例第二方面还提供一种光纤扫描投影设备，请参考图5a，图5a为本发明实施例提供的光纤扫描投影设备的第一种实现方式的结构图，如图5a所示，该光纤扫描投影设备包括：
如第一方面介绍的短焦投影物镜501；
光纤扫描投影装置502，设置于短焦投影物镜501的入射端。
如表1所示，光纤扫描投影装置502出射的图像在满足普通扫描光纤输出的图像靶面大小的情况下，通过短焦投影物镜501即能够在1m的投影距离下，实现1m甚至更大的投影画面。
在具体实施过程中，光纤扫描投影装置502包括光源5021、扫描光纤5022；
光源5021包括红色发光单元50211、绿色发光单元50212、蓝色发光单元50213和合光单元50214，红色发光单元50211、绿色发光单元50212和蓝色发光单元50213根据每一个扫描点对应的颜色，按照rgb色彩模式中的颜色比例，分别出射相应色彩的光线，而合光单元50214用于将红色发光单元50211、绿色发光单元50212和蓝色发光单元50213各自出射的光线组合在一起，从而形成该扫描点对应的颜色。
当然了，在其他实施例中，若采用其他色彩模式，则光源5021包括相应色彩模式的发光单元即可，在此不做限制。
在具体实施过程中，光纤扫描投影设备还包括耦合装置5023，耦合装置设置5023在光源5021的出射端与扫描光纤5022的入射端之间，耦合装置5023用于将光源出射的光线耦合入扫描光纤中。在实际应用中，耦合装置5023具体可以是耦合透镜等等，在此不做限制。
在其他实施例中，若扫描光纤5022采用具有较大数值孔径、收光能力较强的扫描光纤，例如透镜光纤等等，透镜光纤是在光纤的一端通过烧结或者研磨等方式形成一个小的球透镜结构，从而能够扩大光纤的数值孔径，增加光纤的收光能力，当然了，还可以根据实际情况，选择在光纤的一端生成楔形或锥形等结构等等，这样，请参考图5b，图5b为本发明实施例提供的光纤扫描投影设备的第二种实现方式的结构图，如图5b所示，光纤扫描投影设备即无需再使用耦合装置，在此就不再赘述了。
短焦投影物镜501的具体结构及组成在第一方面中已经进行了详细介绍，在此为了说明书的简洁，就不再赘述了。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。
本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
本发明实施例提供的短焦投影物镜满足了现有技术的需求，并且结构简单，系统体积小，便于系统集成，方便用于可穿戴显示领域。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。