一种光学系统及投影设备的制作方法

1.本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及一种光学系统及投影设备。


背景技术：

2.目前市场上的短焦投影镜头大都用于对墙壁进行投影的投影光机中，对桌面上投影的系统并不常见，而这类镜头多用于交互式的智能音响、口袋式的微型投影设备、游戏机等设备中，随着这些应用的扩展，用于桌面投影的短焦镜头的需求日益增大。短焦镜头只能沿着光学系统的轴心进行投影，导致投影设备投出的投影画面会存在部分被遮挡的情况，影响用户的观影效果。


技术实现要素：

3.本发明实施例的主要目的在于提出一种光学系统及投影系统，旨在对以上短焦镜头容易被遮挡的缺陷进行了改善，通过光学系统对图像的偏心投影，进而防止部分图像被遮挡。
4.本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种光学系统，在所述光学系统中具有上下方向，所述光学系统包括显示模组及第一透镜组。所述第一透镜组设在所述显示模组的出光方向上，所述第一透镜组的中轴线位于所述显示模组的中轴线的下侧，用于将所述显示模组发出的光朝向所述第一透镜组的中轴线的下侧会聚，并形成中间像。其中，所述第一透镜组包括沿出光方向排列的：至少一正透镜、胶合透镜；所述胶合透镜包括沿出光方向依次胶合的负透镜、正透镜及负透镜，所述胶合透镜具有正光焦度。
5.进一步地，所述第一透镜组包括沿出光的方向依次设置的：第一正透镜、第二负透镜、第三正透镜、第四负透镜；所述第二负透镜与第四负透镜分别胶合在所述第三正透镜的两侧形成所述胶合透镜；所述胶合透镜的焦距范围为25mm至110mm；所述第一正透镜的焦距范围为10mm至20mm。
6.进一步地，所述第一正透镜的材料为玻璃，所述第一正透镜包括相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面为所述第一正透镜的入光面，所述第二表面为所述第一正透镜的出光面，所述第一表面及所述第二表面为非球面。
7.进一步地，所述光学系统还包括光阑及第二透镜组。所述光阑设在所述第一透镜组背离所述显示模组的一侧。所述第二透镜组设在所述光阑背离所述第一透镜组的一侧，用于通过并朝向所述中轴线的下侧会聚经过所述光阑的光。
8.进一步地，所述第二透镜组包括沿出光方向依次设置的：第五正透镜、第六正透镜；所述第五正透镜的焦距范围为10mm至20mm；所述第六正透镜的焦距范围为50mm至150mm。
9.进一步地，所述光学系统还包括第三透镜组。所述第三透镜组设在所述第二透镜组远离所述光阑的一侧，用于对会聚的所述中间像进行放大投射形成画面像。
10.进一步地，第三透镜组包括沿出光方向依次设置的：第七负透镜、第八负透镜；所
述第七负透镜的焦距范围为
‑
13mm至
‑
8mm，所述第八负透镜的焦距范围为
‑
15mm至
‑
10mm。
11.进一步地，所述第八负透镜的材料为塑料；所述第八负透镜包括相对设置的第三表面和第四表面，所述第三表面为所述第八负透镜的入光面，所述第四表面为所述第八负透镜的出光面，所述第三表面及所述第四表面为非球面。
12.进一步地，所述光学系统形成的画面像的中心到第一透镜组的中轴线的距离与所述画面像的一半高度的比小于或等于140％。
13.本发明还提出了一种投影设备，所述投影设备包括如上所述的光学系统。
14.本发明实施例提供一种光学系统及投影设备。显示模组用于将光调制形成图像光；当图像光从中轴线的上侧投射到第一透镜组时，第一透镜组的正透镜对图像光进行会聚，并透射到由负透镜、正透镜及负透镜胶合形成的胶合透镜，胶合透镜对图像光进行会聚，以将图像投射在第一透镜组的中轴线下侧的屏幕上，通过上述技术方案，可以实现图像的偏心投影，从而防止光学系统投影的画面被遮挡物遮挡，而造成投影画面缺失甚至不能投影的问题。
附图说明
15.图1为本发明所述光学系统的结构示意图；
16.图2为本发明所述光学系统的投影示意图；
17.图3为本发明所述光学系统的场曲与光学畸变图；
18.图4为本发明所述光学系统的调制传递函数图；
19.图5为本发明所述光学系统的投影光学系统的垂轴色差图；
20.图6为本发明所述光学系统的光线传输示意图。
21.附图标号说明：
22.标号名称标号名称11显示模组50第三透镜组20第一透镜组51第七负透镜21第一正透镜52第八负透镜22第二负透镜211第一表面23第三正透镜212第二表面24第四负透镜521第三表面30光阑522第四表面40第二透镜组12保护玻璃41第五正透镜13等效转折棱镜42第六正透镜
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具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.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。
25.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。
26.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。
27.如图1所示，一种光学系统，在光学系统中具有上下方向，光学系统包括显示模组11及第一透镜组20。第一透镜组20设在显示模组11的出光方向上，第一透镜组20的中轴线位于显示模组11的中轴线的下侧，用于将显示模组11发出的光朝向第一透镜组20的中轴线的下侧会聚，并形成中间像。其中，第一透镜组20包括沿出光方向排列的：至少一正透镜、胶合透镜；胶合透镜包括沿出光方向依次胶合的负透镜、正透镜及负透镜，胶合透镜具有正光焦度。
28.具体实施方式中，显示模组11的中轴线位于第一透镜组20的中轴线的上侧，故显示模组11发射的光也朝向第一透镜组20的中轴线的上侧。显示模组11用于对光进行调制形成图像光；图像光投射到第一透镜组20的上侧时，第一透镜组20的正透镜对图像光进行会聚，并透射到由负透镜、正透镜及负透镜胶合形成的胶合透镜，胶合透镜对图像光再次会聚，以将图像投射在第一透镜组20的中轴线下侧的屏幕上，实现图像的偏心投影。防止因第一透镜组20的中轴线的延长方向具有遮挡物。遮挡光学系统的正向投影，透过将图像偏心投影，实现将光绕过遮挡物，将完整地图像投影到屏幕上。
29.需要说明的是，正透镜具有正光焦度，对光具有聚光的作用，表示平行光线穿过该透镜时，光线会朝靠近轴心的方向会聚。负透镜对光具有发散作用，又称发散透镜，表示平行光线穿过该透镜时，光线会朝远离轴心的方向发散。
30.进一步地，第一透镜组20包括沿出光的方向依次设置的：第一正透镜21、第二负透镜22、第三正透镜23、第四负透镜24；第二负透镜22与第四负透镜24分别胶合在第三正透镜23的两侧形成胶合透镜；胶合透镜的焦距范围为25mm至110mm；第一正透镜21的焦距范围为10mm至20mm。
31.具体实施方式中，第一正透镜21为双凸型正透镜，第二负透镜22为弯月型负透镜，第三正透镜23为双凸型正透镜、第四负透镜24为弯月型负透镜，第二负透镜22具有相对设置的一凹面和一凸面，第二负透镜22的凸面朝向第一正透镜；第三正透镜23具有两个相对设置的凸面；第二负透镜22的凹面朝向第三正透镜23的凸面，并与第三正透镜23的凸面胶合在一起；第四负透镜24具有相对设置的一凹面和一凸面，第四透镜24的凹面朝向第三正透镜23，并与第三正透镜23的另一凸面相胶合在一起；如此，第二负透镜22与第四透镜24分别与第三正透镜23的两个相对的凸面胶合形成胶合透镜。形成的胶合透镜的焦距范围为
25mm至110mm；第一正透镜21的焦距范围为10mm至20mm。第一正透镜21用于对显示模组11发射光进行会聚，胶合透镜将图像光再次会聚，使得图像光在朝向第一透镜组20的中轴线的下侧位置形成中间像。
32.进一步地，第一正透镜21的材料为玻璃，第一正透镜21包括相对设置的第一表面211和第二表面212，第一表面211为第一正透镜21的的入光面，第二表面212为第一正透镜21的的出光面，第一表面211及第二表面212为非球面。
33.具体实施方式中，非球面结构相比于球面结构，能够有效地减小光学系统的球差和畸变，进而提高成像质量。现有技术中多通过设置多个透镜用于消除色差，本发明通过设置非球面的表面，进而用于消除色差；从而减少光学系统中透镜的个数。
34.进一步地，光学系统还包括光阑30及第二透镜组40。光阑30设在第一透镜组20背离显示模组11的一侧，用于接收并调节第一透镜组20会聚的中间像的光。第二透镜组40设在光阑30背离第一透镜组20的一侧。
35.具体实施方式中，第一透镜组20朝向中轴线的下侧会聚的图像光在光阑30上形成中间像，并通过光阑30对中间像的光进行调节，控制从第一透镜组20投射的光线能有多少穿过光阑30，对图像光进行调节。第二透镜组40设在光阑30背离第一透镜组20的一侧。
36.进一步地，第二透镜组40包括沿出光方向依次设置的：第五正透镜41、第六正透镜42；第五正透镜41的焦距范围为10mm至20mm；第六正透镜42的焦距范围为50mm至150mm。
37.具体实施方式中，第五正透镜41为双凸正透镜，第六正透镜42弯月型正透镜，第五正透镜41具有两个相对设置的凸面，两个凸面分别朝向光阑30和第六正透镜42；第六正透镜42具有两个相对设置的一凸面和一凹面，第六正透镜42的凸面朝向第五正透镜41，第六正透镜42的凹面朝向背离第五正透镜41的方向。第五正透镜41的焦距范围为10mm至20mm；第六正透镜42的焦距范围为50mm至150mm。
38.进一步地，光学系统还包括第三透镜组50。第三透镜组50设在第二透镜组40远离光阑30的一侧。
39.具体实施方式中，如图2所示，第三透镜组50将第二透镜组40会聚的中间像扩散投影到在中轴线的下侧的屏幕上，能够有效防止因光学系统的正向方向遮挡物遮挡投影的光线，使得投影更加便利。第一透镜组20的中轴线、第二透镜组40的中轴线及第三透镜组50的中轴线均在一条直线上。
40.进一步地，第三透镜组50包括沿出光方向依次设置的：第七负透镜51、第八负透镜52；第七负透镜51的焦距范围为
‑
13mm至
‑
8mm，第八负透镜52的焦距范围为
‑
15mm至
‑
10mm。
41.具体实施方式中，第七负透镜51为双凹负透镜，第八负透镜52为弯月型负透镜；第六正透镜42的凹面朝向第七负透镜51。第七负透镜51具有两个相对设置的凹面。两个凹面分别朝向第六正透镜42和第八负透镜52。第八负透镜52具有相对设置的一凹面和一凸面，第八负透镜52的凹面朝向第七负透镜51。第七负透镜51的焦距范围为
‑
13mm至
‑
8mm，第八负透镜52的焦距范围为
‑
15mm至
‑
10mm。
42.进一步地，第八负透镜52的材料为塑料；第八负透镜52包括相对设置的第三表面521和第四表面522，第三表面521为第八负透镜52的入光面，第四表面522为第八负透镜52的出光面；第三表面521及第四表面522为非球面。
43.具体实施方式中，玻璃材质的第八透镜52具有良好的光学特性，例如，更高的透过
率等。非球面结构相比于球面结构，能够有效地减小光学系统的球差和畸变。现有技术中多通过设置多个透镜用于消除色差，本发明通过设置非球面的表面，进而用于消除色差。
44.进一步地，光学系统形成的画面像的中心到第一透镜组20的中轴线的距离与画面像的一半高度的比小于或等于140％。光学系统发射的投影光线投射在中轴线的下侧的屏幕上，使得在短距离投射时，能够有效防止因光学系统的正向方向遮挡物遮挡投影的光线，使得投影更加便利。
45.第一正透镜21与胶合透镜之间的最短间距为0.3mm；胶合透镜与光阑13之间的最短间距为3.6mm；第五正透镜41与光阑13之间的最短间距为2.9mm；第五正透镜41与第六正透镜42的最短间距为1.2mm；第七负透镜51与第六正透镜42的最短间距为3.7mm；第八负透镜52与第七负透镜51的最短间距为6.6mm。基于光学成像原理，使用光学设计软件，根据组合透镜的焦距公式：r＝r1 r2‑
dr1r2。
46.其中r为第一、第二透镜组合的焦距的倒数，r1、r2为第一、第二透镜焦距的倒数，d为透镜之间的间距。可得出第一透镜组20、第二透镜组40级第三透镜组50组成的镜组的总焦距小于或等于3.3mm。
47.光学系统还包括保护玻璃12及等效转折棱镜13，保护玻璃12设在显示模组11的出光方向上，及等效转折棱镜13设在保护玻璃12与第一透镜组20之间。等效转折棱镜13用于将显示模组11所发光或反射光传递到第一透镜组20中；保护玻璃12用于保护显示模组11不受外力、污染物的影响。
48.在本实施列中，光学系统的各参数如下：
49.光学系统的镜头总长为49mm；
50.光学系统的总焦距为小于或等于3.3mm；
51.光学系统的半像高为2.95mm；
52.光学系统的半现场为41.7
°
；
53.光学系统的光圈数f#为1.7；
54.光学系统的主光线角度小于0.9
°
。
55.请参照图3，图3为场曲与光学畸变图，场曲用于表示不同视场点的光束像点离开像侧的位置变化，光学畸变是指某一视场主波长时的主光线与像侧焦点离开理想像点的垂轴距离；在本实施例中，镜组的波长选择范围为455nm到613nm，其中，在切线面以及弧矢面的场曲均小于
±
0.05mm，在全视场中的光学畸变都在0％到1％之间，因此系统投影图像的畸变不易被人眼察觉，不需要再通过显示芯片的电子校准校正畸变。
56.请参照图4，图4为调制传递函数图，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呈现分辨越高。在本实施例中，镜组的波长选择范围为455nm到613nm，并分别显示半像高为0mm、0.518mm、1.814mm、2.3058mm、3.11mm、3.9mm时，子午方向(tangential，t)和弧矢方向(sagittal，s)的调制传递函数值，具体的，空间频率0lp/mm到93lp/mm的调制传递函数数值介于0.5到1.0之间，中心视场调制传递函数数值介于0.55到1.0之间，说明最终投影图像的分辨率较高，该镜头组有较优的光学性能。
57.请参照图5，图5为投影光学系统的垂轴色差图，投影光学系统的垂轴色差图，其中，垂轴色差是指又称为倍率色差，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；若光学系统的像素大小为5.4um，该镜头在全视场可见光波段横向色差在0.6个像素范围内，人眼难以觉察。
58.其中，光学系统的设计数据如下表1所示：
59.表1
[0060][0061]
[0062][0063]
第一表面211、第二表面212、第三表面521及第四表面522均为偶次非球面。并满足以下关系：
[0064][0065]
y为镜面中心高度，z为非球面结构沿轴心方向在高度为y的位置，以表面顶点作参考距轴心的位移值，c为非球面的顶点曲率半径，k为圆锥系数；α1、α2、α3、α4为非球面透镜的非球面高次项系数。具体如表2。
[0066]
表2
[0067][0068]
本发明还提出了一种投影设备，所述投影设备包括如上所述的光学系统。在投影设备中，光学系统形成的镜头能够减小焦距，且能够形成偏置透射，使得投影设备可以应用更加广泛。
[0069]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。