一种光学投影系统及投影装置的制作方法

1.本技术涉及光学设备技术领域，更具体地，涉及一种光学投影系统及投影装置。


背景技术：

2.随着科学技术的蓬勃发展，投影技术已日趋成熟，投影设备的应用领域也变得愈来愈广，例如应用于会议讲解、巡回展示和促销活动等商业领域，应用于学校授课、学术讨论等教育领域，以及应用于家庭影院等家庭领域。近年来，数字光处理(digital light processing；dlp)投影装置已经成为目前投影装置的主流技术，其在轻巧性、耐用度、高亮度、高对比等方面都是投影显示产品中的较佳选择。
3.数字光处理投影系统大多应用于交互式的智能音响、口袋式的微型投影仪、游戏机等设备中；近年来，利用dlp投影技术设计的成像镜头也越来越多地应用到3d打印系统中去。3d打印中的成像设计指标一般会更加注重清晰度、畸变性能指标；并且也同样希望能够尽可能减小体积。
4.因此，如何提供一种数字光处理投影系统，其可以用较小的体积满足高精度3d打印设备的需求，成为业内研究的课题之一。


技术实现要素：

5.本技术的一个目的是提供一种光学投影系统及投影装置的新技术方案。
6.根据本技术的第一方面，提供了一种光学投影系统，所述光学投影系统从放大侧至缩小侧依次包括：
7.第一透镜组、光阑及第二透镜组；
8.所述第一透镜组及所述第二透镜组分别包括至少三个透镜；
9.所述第一透镜组的光焦度为负，所述第二透镜组的光焦度为正；
10.所述光学投影系统的总长度tl与所有透镜中最大的一个透镜的口径d之间的比值满足1《tl/d《3.1。
11.可选地，所述光学投影系统满足8.0mm《effl《9.3mm，其中，effl为所述光学投影系统的有效焦距。
12.可选地，所述第一透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜、第二透镜及第三透镜；所述第二透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第四透镜、第五透镜、第六透镜及第七透镜；
13.所述第三透镜的光焦度为负，所述第四透镜的光焦度为正。
14.可选地，所述第三透镜的有效焦距f3满足-27.838mm《f3《-20.22mm；所述第四透镜的有效焦距f4满足12.3mm《f4《18.8mm。
15.可选地，所述第一透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜、第二透镜及第三透镜；所述第二透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第四透镜、第五透镜、第八透镜；
16.所述第三透镜的光焦度为负，所述第四透镜的光焦度为正。
17.可选地，所述第五透镜的放大侧面与缩小侧面中的至少一者为凹面。
18.可选地，所述第五透镜的有效焦距f5满足-37.7mm《f5《-30.1mm；所述第八透镜的有效焦距f8满足10.3mm《f8《16.28mm。
19.可选地，所述第三透镜到所述光阑的距离与所述第四透镜到所述光阑的距离的比值范围为1～5。
20.可选地，所述光学投影系统还包括振镜，所述振镜设置于所述第二透镜组的远离所述光阑的一侧。
21.根据本技术的第二方面，提供了一种投影装置，所述投影装置包括如第一方面所述的光学投影系统。
22.在本技术实施例提供的光学投影系统中，通过各参数的优化配置，其可以达到较佳的成像效果以及较小的体积尺寸；并且，其可以达到投射图像畸变小、分辨率高并且mtf调制函数高的图像效果。
23.通过以下参照附图对本技术的示例性实施例的详细描述，本技术的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
24.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本技术的实施例，并且连同其说明一起用于解释本技术的原理。
25.图1所示为本技术一种光学投影系统的光学结构示意图一；
26.图2所示为本技术一种光学投影系统的光学结构示意图二；
27.图3所示为本技术一种光学投影系统中实施例1的调制传递函数示意图；
28.图4所示为本技术一种光学投影系统中实施例2的调制传递函数示意图。
29.附图标记说明：
30.1、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、等效棱镜；10、保护玻璃；11、显示芯片；12、光阑；13、振镜。
具体实施方式
31.现在将参照附图来详细描述本技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。
32.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。
33.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
34.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
35.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
36.参照图1-图2所示，根据本技术的一个实施例，提供了一种光学投影系统，所述光学投影系统从放大侧至缩小侧依次包括第一透镜组、光阑12及第二透镜组；所述第一透镜组及所述第二透镜组分别包括至少三个透镜；所述第一透镜组的光焦度为负，所述第二透镜组的光焦度为正；所述光学投影系统的总长度tl与所有透镜中最大的一个透镜的口径d之间的比值满足1《tl/d《3.1。
37.本技术实施例提供的光学投影系统还包括等效棱镜9、保护玻璃10及显示芯片11；进一步具体地，等效棱镜9为等效转折棱镜，等效棱镜9用于将显示芯片11所发出的光线或者所反射出的光线传递到镜头中；保护玻璃10用于保护显示芯片1免受外界污染物的影响；显示芯片11可以为数字微镜器件显示面板(dmd)、硅基液晶显示面板(lcos)、液晶显示面板(lcd)等。可以理解为，所述显示芯片11为不同波长的激光光源或其他能发出光束的光源体。
38.本技术实施例提供的光学投影系统应用于投影装置；该光学投影系统沿光线传输方向包括缩小侧和放大侧，光学投影系统中的显示芯片11、保护玻璃10、等效棱镜9、第二透镜组、光阑12及第一透镜组沿同一光轴依次设于缩小侧和放大侧之间。其中，缩小侧为投影过程中，生成投影光线的图像源(例如显示芯片11)所在的一侧，也即像方；放大侧为投影过程中，用于显示投影图像的投影面(比如投影屏幕)所在的一侧，也即物方。投影光线的传输方向为由缩小侧至放大侧。但是在实际设计光学投影系统时，根据光路可逆原理，从实际的放大侧至缩小侧对光线进行模拟。
39.具体地，在实际的投影过程中，投影光线由显示芯片11发出，自缩小侧朝向放大侧发射，依次经过保护玻璃10、等效棱镜9、第二透镜组、光阑12及第一透镜组，从而显示出投影图像。
40.本技术实施例中，作为图像源的显示芯片11可选用数字微镜元件(digital micromirror device，dmd)芯片。dmd是由许多矩阵排列的数字微反射镜组成，工作时每个微反射镜都能够朝正反两个方向进行偏转并锁定，从而使光线按既定的方向进行投射，并且以数万赫兹的频率进行摆动，将来自照明光源的光束通过微反射镜的翻转反射进入光学系统成像在屏幕上。dmd具有分辨率高，信号无需数模转换等优点。本技术实施例采用0.3英寸dmd，其尺寸横纵比为16:9，具体尺寸例如可以为6.912*3.888mm，配合设计最小投射比为1.1，最大偏置为100％。应注意，本技术实施例中的成像光路架构适用的像源大小不仅局限于0.3英寸dmd、100％偏置，本技术实施例所允许的全像源大小可在5.2mm以内，全视场角在64
°
以内。当然，作为图像源的显示芯片11也可以选用硅上液晶(liquidcrystal on silicon，lcos)芯片、液晶显示面板(liquid crystal display，lcd)或其他可用于出射光线的显示元件，本技术对此不作限制。
41.在该实施例中，在光阑12的两侧分别设置有透镜组，所述的两侧中的一侧即靠近放大侧、另一侧即靠近缩小侧。其中，光阑12的靠近放大侧设置为第一透镜组，光阑12的靠近缩小侧设置为第二透镜组。其中，第一透镜组和第二透镜组分别包括至少三个透镜；并且，第一透镜组的光焦度为负，第二透镜组的光焦度为正。在本技术实施例的光学投影系统中，采用反远距型光组方案，光焦度分配遵循负-正分配方式，整个光学投影系统的光焦度平衡，达到投影系统对像值的要求。此外，通过对两个透镜组的光焦度进行合理搭配，从而确保整个光学投影系统的光焦度平衡，达到3d打印对像值的要求。其中，第一透镜组的光焦
度为负，第二透镜组的光焦度为正，有助于达到3d打印对于低畸变的要求，以及达到3d打印对图像高分辨率的要求。
42.此外，在本技术实施例提供的光学投影系统中，通过将该光学投影系统的总长度tl与所有透镜中最大的一个透镜的口径d之间的比值设置为满足1《tl/d《3.1，这样可以在确保成像画面质量的同时，使得光学投影系统的结构紧凑，从而在一定程度上保证光学投影系统的体积尺寸小，使光学投影系统便于携带和使用。亦即，在本技术实施例提供的光学投影系统中，可以在缩小光学投影系统体积的情况下，提升光学投影系统的成像效果，确保3d打印对高清晰度以及低畸变性能的要求。本技术实施例提供的光学投影系统，其投射图像畸变小、分辨率高并且mtf调制函数高。
43.在一个实施例中，所述光学投影系统满足8.0mm《effl《9.3mm，其中，effl为所述光学投影系统的有效焦距。
44.在该具体的例子中，通过将光学投影系统的有效焦距effl的值设置为8.0mm《effl《9.3mm，可以在确保成像画面质量的同时，使得光学投影系统的结构紧凑，从而在一定程度上保证光学投影系统的体积尺寸小，使光学投影系统便于携带和使用。
45.参照图1所示，在一个实施例中，所述第一透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜1、第二透镜2及第三透镜3；所述第二透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6及第七透镜7；所述第三透镜3的光焦度为负，所述第四透镜4的光焦度为正。
46.在该具体的例子中，该光学投影系统采用7片球面镜，从放大侧至缩小侧依次排布为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6及第七透镜7。其中，由第一透镜1、第二透镜2及第三透镜3组成的第一透镜组位于光阑12的靠近放大侧；由第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6及第七透镜7组成的第二透镜组位于光阑12的靠近缩小侧；并且，第一透镜组中最靠近光阑12的为第三透镜3，第二透镜组中最靠近光阑12的为第四透镜4；第三透镜3的光焦度为负，第四透镜4的光焦度为正。该实施例中的透镜排布设计在保证光学投影系统的体积尺寸较小的同时保证了较低的成本。
47.在一个实施例中，所述第一透镜1的放大侧面为凸面；所述第二透镜2的放大侧面为凸面、缩小侧面为凹面；所述第三透镜3的放大侧面为凸面、缩小侧面为凹面；所述第四透镜4的放大侧面与缩小侧面中的至少一者为凸面；所述第五透镜5的放大侧面为凹面、缩小侧面为凹面；所述第六透镜6的放大侧面为凸面、缩小侧面为凸面；所述第七透镜7的放大侧面为凸面、缩小侧面为凸面。
48.在该具体的例子中，通过以上面型结构设计，使整个光学投影系统达到较高的像值要求以及光线汇聚能力。
49.在一个实施例中，所述第三透镜3的有效焦距f3满足-27.838mm《f3《-20.22mm；所述第四透镜4的有效焦距f4满足12.3mm《f4《18.8mm。并且，所述第一透镜1的有效焦距f1满足40.56mm《f1《50mm；所述第二透镜2的有效焦距f2满足-13.15mm《f2《-9.175mm；所述第五透镜5的有效焦距f5满足-26.16mm《f5《-21.6mm；所述第六透镜6的有效焦距f6满足16.3mm《f6《21.9mm；所述第七透镜7的有效焦距f7满足21.3mm《f7《28.7mm。所述第三透镜3到所述光阑12的距离与所述第四透镜4到所述光阑12的距离的比值范围为1～5。
50.在该具体的例子中，通过对第一透镜1的有效焦距f1、第二透镜2的有效焦距f2、第
三透镜3的有效焦距f3、第四透镜4的有效焦距f4、第五透镜5的有效焦距f5、第六透镜6的有效焦距f6以及第七透镜7的有效焦距f7进行限定；以及通过对第三透镜3到光阑12的距离与第四透镜4到光阑12的距离的比值范围进行限定；能够优化光学设计指标，在满足成像质量的同时，有效减小该光学投影系统的径向尺寸，有利于该光学投影系统的轻薄化以及小型化设计。
51.参照图2所示，在一个实施例中，所述第一透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜1、第二透镜2及第三透镜3；所述第二透镜组包括从放大侧至缩小侧依次设置的第四透镜4、第五透镜5、第八透镜8；所述第三透镜3的光焦度为负，所述第四透镜4的光焦度为正。
52.在该具体的例子中，该光学投影系统采用6片球面镜，从放大侧至缩小侧依次排布为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5及第八透镜8。其中，由第一透镜1、第二透镜2及第三透镜3组成的第一透镜组位于光阑12的靠近放大侧；由第四透镜4、第五透镜5及第八透镜8组成的第二透镜组位于光阑12的靠近缩小侧；并且，第一透镜组中最靠近光阑12的为第三透镜3，第二透镜组中最靠近光阑12的为第四透镜4；第三透镜3的光焦度为负，第四透镜4的光焦度为正。该实施例中的透镜数量较少，透镜的排布设计进一步减小了光学投影系统的体积尺寸。
53.在一个实施例中，所述第五透镜5的放大侧面与缩小侧面中的至少一者为凹面。并且，所述第一透镜1的放大侧面为凸面；所述第二透镜2的放大侧面为凸面、缩小侧面为凹面；所述第三透镜3的放大侧面为凸面、缩小侧面为凹面；所述第四透镜4的放大侧面与缩小侧面中的至少一者为凸面；所述第八透镜8的放大侧面为凸面、缩小侧面为凸面。
54.在该具体的例子中，通过以上面型结构设计，使整个光学投影系统达到较高的像值要求以及光线汇聚能力。
55.在一个实施例中，所述第五透镜5的有效焦距f5满足-37.7mm《f5《-30.1mm；所述第八透镜8的有效焦距f8满足10.3mm《f8《16.28mm。并且，所述第一透镜1的有效焦距f1满足40.56mm《f1《50mm；所述第二透镜2的有效焦距f2满足-13.15mm《f2《-9.175mm；所述第三透镜3的有效焦距f3满足-27.838mm《f3《-20.22mm；所述第四透镜4的有效焦距f4满足12.3mm《f4《18.8mm。此外，所述第三透镜3到所述光阑12的距离与所述第四透镜4到所述光阑12的距离的比值范围为1～5。
56.在该具体的例子中，通过对第一透镜1的有效焦距f1、第二透镜2的有效焦距f2、第三透镜3的有效焦距f3、第四透镜4的有效焦距f4、第五透镜5的有效焦距f5以及第八透镜8的有效焦距f8进行限定；以及通过对第三透镜3到光阑12的距离与第四透镜4到光阑12的距离的比值范围进行限定；能够优化光学设计指标，在满足成像质量的同时，有效减小该光学投影系统的径向尺寸，有利于该光学投影系统的轻薄化以及小型化设计。
57.在一个实施例中，所述光学投影系统还包括振镜13，所述振镜13设置于所述第二透镜组的远离所述光阑12的一侧。
58.在该具体的例子中，振镜13的设置可以提高该光学投影系统的分辨率。
59.本技术实施例提供的光学投影系统，其投射图像畸变小、分辨率高并且mtf调制函数高；通过以上各参数的优化配置，其可以在各个视场下达到图像清晰度较高的成像效果。
60.根据本技术的另一个实施例，提供了一种投影装置，所述投影装置包括如上所述
的光学投影系统。所述投影装置例如可以为投影装置。投影装置例如可以是投影机、或者照明光机等。
61.实施例1：
62.参照图1所示，从放大侧至缩小侧，该光学投影系统依次设置有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑12、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、振镜13、等效棱镜9、保护玻璃10及显示芯片11；该光学投影系统满足有效焦距effl＝8.72mm，光学投影系统的光学总长tl为62mm。0.3英寸dmd设计目标如下：
63.投射比为1.17，投影距离为220mm，偏置0％，波长为400nm-410nm，tv畸变《0.5％，全视场mtf＞0.5@96lp/mm，远心度《1.5
°
，色差《0.5pixel，f#2.5。
64.该实施例中的光学投影系统包含7片球面镜，从放大侧至缩小侧依次排布为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6及第七透镜7；其中，第一透镜1的放大侧面s1为凸面、缩小侧面s2为凸面；第二透镜2的放大侧面s3为凸面、缩小侧面s4为凹面；第三透镜3的放大侧面s5为凸面、缩小侧面s6为凹面；第四透镜4的放大侧面s7与缩小侧面s8均为凸面；第五透镜5的放大侧面s9为凹面、缩小侧面s10为凹面；第六透镜6的放大侧面s11为凸面、缩小侧面s12为凸面；第七透镜7的放大侧面s13为凸面、缩小侧面s14为凸面。
65.实施例1中涉及的各个参数如下表1所示：
66.表1
[0067][0068][0069]
实施例1中所示的光学投影系统的调制传递函数示意图如图3所示，由图示可见，
各视场的mtf值均高于0.75，可见在各个视场下经该系统成像后的图像清晰度非常高，其他性能也均满足设计要求，适合3d打印的精度要求。
[0070]
实施例2：
[0071]
参照图2所示，从放大侧至缩小侧，该光学投影系统依次设置有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑12、第四透镜4、第五透镜5、第八透镜8、振镜13、等效棱镜9、保护玻璃10及显示芯片11；该光学投影系统满足有效焦距effl＝8.89mm，光学投影系统的光学总长tl为66.4mm。0.3英寸dmd设计目标如下：
[0072]
投射比为1.17，投影距离为220mm，偏置0％，波长为400nm-410nm，tv畸变《0.5％，全视场mtf＞0.5@96lp/mm，远心度《1.5
°
，色差《0.5pixel，f#2.5。
[0073]
该实施例中的光学投影系统包含6片球面镜；其中，第一透镜1的放大侧面s1为凸面、缩小侧面s2为凸面；第二透镜2的放大侧面s3为凸面、缩小侧面s4为凹面；第三透镜3的放大侧面s5为凸面、缩小侧面s6为凹面；所述第四透镜4的放大侧面s7为凸面、缩小侧面s8为凸面；第五透镜5的放大侧面s9为凸面、缩小侧面s10为凹面；第八透镜8的放大侧面s11为凸面、缩小侧面s12为凸面。
[0074]
实施例2中涉及的各个参数如下表2所示：
[0075][0076]
实施例2中所示的光学投影系统的调制传递函数示意图如图4所示，由图示可见，各视场的mtf值均高于0.75，可见在各个视场下经该系统成像后的图像清晰度非常高，其他性能也均满足设计要求，适合3d打印的精度要求。
[0077]
虽然已经通过例子对本技术的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本技术的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本技术的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本技术的范围由所附权利要求来限定。