CN112255767A - 投影镜头和投影设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种投影镜头和投影设备，所述投影镜头具有接收投影光线的入光端和出射所述投影光线的出光端，所述投影镜头包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜和胶合透镜，所述第一透镜设置于所述出光端；所述振镜设置于所述入光端，所述振镜至所述第一透镜的光路中依次设置第二透镜和第三透镜，所述第一透镜为负透镜，所述第二透镜和所述第三透镜为正透镜；所述胶合透镜设置于所述第二透镜和所述第三透镜之间的光路中。本发明的技术方案能够避免反复更换镜头，使用起来更加灵活便捷。
Description
技术领域
本发明涉及投影显示技术领域，尤其涉及一种投影镜头和投影设备。
背景技术
在DLP(Digital Light Processing，数字光处理)的投影显示中，为了提高显示分辨率，通常在光路中设置振镜，振镜在使用过程中，进行高频振动将光线投射向人眼，提高成像分辨率。但是在某些场景下，低分辨率的图像画面就足以满足使用要求，这时振镜停止高频振动，为了满足低分辨率的显示，还需要更换镜头。如此在高低分辨率的切换过程中，需要反复更换镜头，不便于使用。
上述内容仅用于辅助理解本申请的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
基于此，针对现有的投影设备在高低分辨率的切换过程中，需要反复更换镜头，不便于使用的问题，有必要提供一种投影镜头和投影设备，旨在能够避免反复更换镜头，提高使用的便捷性。
为实现上述目的，本发明提出的一种投影镜头，所述投影镜头具有接收投影光线的入光端和出射所述投影光线的出光端，所述投影镜头包括：
第一透镜，所述第一透镜设置于所述出光端；
第二透镜，所述第二透镜设置于所述入光端；
第三透镜，所述第三透镜设置于所述第一透镜和所述第二透镜之间的光路中；以及
胶合透镜，所述胶合透镜设置于所述第三透镜和所述第二透镜之间的光路中，所述第一透镜为负透镜，所述第二透镜和所述第三透镜为正透镜。
可选地，所述第一透镜具有接收所述投影光线的第一表面和出射所述投影光线的第二表面，所述第一表面朝向所述投影光线的入射方向凹陷，所述第二表面朝向所述投影光线的出射方向凸起。
可选地，所述第一表面和所述第二表面均为非球面。
可选地，所述第二透镜具有接收所述投影光线的第三表面和出射所述投影光线的第四表面，所述第三表面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第四表面朝向所述投影光线的出射方向凸起。
可选地，所述第三表面和所述第四表面均为非球面。
可选地，所述胶合透镜包括沿所述投影光线的传播方向依次设置第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述第四透镜和所述第六透镜为负透镜，所述第五透镜为正透镜。
可选地，所述第一透镜的材质为塑胶，所述第二透镜的材质为玻璃。
可选地，所述投影镜头还包括光阑，所述光阑设置于所述第一透镜和所述第二透镜之间的光路中。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种投影设备，所述投影设备包括图像源和如上文所述投影镜头，所述图像源向所述投影镜头发射投影光线，所述振镜具有处于连续振动的第一状态、以及处于静止的第二状态，所述投影设备还包括连接于所述振镜的控制开关，所述控制开关用于控制所述振镜在所述第一状态和所述第二状态之间切换。
可选地，所述投影设备还包括透明保护层，所述透明保护层设于所述图像源的出光面，所述振镜和所述透明保护层之间的光路中设有两直角棱镜形成的棱镜组，两所述直角棱镜的抵接面和所述图像源发射的投影光线的角度在40°～50°之间。
本发明提出的技术方案中，在投影镜头的出光端到出射投影光线的入光端依次设置第一透镜、第三透镜、胶合透镜、第二透镜以及振镜。其中，振镜通过振动呈现高分辨率的成像。振镜也可以处在静止状态，从而呈现出低分辨率的成像。第一透镜为负透镜，第二透镜和第三透镜为正透镜。透射于振镜的投影光线依次经过第二透镜、胶合透镜、第三透镜和第一透镜，第一透镜设置为负透镜，将第二透镜和第三透镜设置为正透镜，投影光线经过第二透镜和第三透镜的会聚，再通过第一透镜的发散作用，将投影光线投射出，胶合透镜能够减少在高分辨率成像或低分辨率成像过程中的像差。由此可知，本发明的技术方案能够避免反复更换镜头，一个投影镜头就能够实现高低分辨率的成像，从而提高使用的便捷性。
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为本发明投影镜头一实施例的结构示意图；
图2为本发明投影镜头的调制传递函数图；
图3为本发明投影镜头的点列图；
图4为本发明投影镜头的场曲与畸变图；
图5为本发明投影镜头的垂轴色差图。
附图标号说明：
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，在本发明中如涉及“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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明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。
请参阅图1所示，本实施例提出的一种投影镜头，投影镜头应用于DLP投影显示中。除此之外，该投影镜头还可以用在其他类型的投影显示中，例如，LCD(Liquid CrystalDisplay，液晶显示)显示，或者LCOS(Liquid Crystal on Silicon，反射式投影显示)显示等。投影镜头20具有接收投影光线110的入光端和出射投影光线110的出光端，投影镜头20包括：第一透镜210、第二透镜220、第三透镜230和胶合透镜240。
投影镜头20包括镜筒，第一透镜210设置于出光端，第二透镜220设置于入光端；第一透镜210和第二透镜220设置于镜筒的两端，通过镜筒将第一透镜210和第二透镜220的镜片周边保护起来，还能够有效的将第一透镜210和第二透镜220固定在镜筒上。
第三透镜230设置于第一透镜210和第二透镜220之间的光路中；胶合透镜240设置于第三透镜230和第二透镜220之间的光路中，第一透镜210为负透镜，第二透镜220和第三透镜230为正透镜。同样地，第三透镜230和胶合透镜240也是通过镜筒固定住的。投影光线110依次经过第二透镜220、胶合透镜240、第三透镜230和第一透镜210。其中，正透镜是镜片的中间厚，周边薄的一种透镜，正透镜具有会聚光线的能力，又称凸透镜也称作汇聚透镜。正透镜包括双凸透镜、平凸透镜和凹凸透镜。负透镜是镜片的中间薄，周边厚的一种透镜。负透镜又称作凹透镜，负透镜具有发散光线的作用，又称发散透镜。负透镜包括双凹透镜、平凹透镜和凸凹透镜。
本实施例提出的技术方案中，在投影镜头20的出光端到出射投影光线110的入光端依次设置第一透镜210、第三透镜230、胶合透镜240、第二透镜220以及振镜10。其中，振镜40通过振动呈现高分辨率的成像。振镜40也可以处在静止状态，从而呈现出低分辨率的成像。第一透镜210为负透镜，第二透镜220和第三透镜230为正透镜。透射于振镜40的投影光线依次经过第二透镜220、胶合透镜240、第三透镜230和第一透镜210，第一透镜210设置为负透镜，将第二透镜220和第三透镜230设置为正透镜，投影光线经过第二透镜220和第三透镜230的会聚，再通过第一透镜210的发散作用，将投影光线投射出，胶合透镜240能够减少在高分辨率成像或低分辨率成像过程中的像差。由此可知，本发明的技术方案能够避免反复更换镜头，一个投影镜头就能够实现高低分辨率的成像，从而提高使用的便捷性。
在上述实施例中，第一透镜210具有接收投影光线110的第一表面211和出射投影光线110的第二表面212，第一表面211朝向投影光线110的入射方向凹陷，第二表面212朝向投影光线110的出射方向凸起。也就是说第一透镜210的第一表面211是凹陷的，第一透镜210的第二表面212是凸起的，即第一透镜210是凸凹透镜。凸凹透镜具有较好的发散作用，因此凸凹透镜可以将投影光线110有效的发散于显示位置，继而提高显示画面尺寸。
在上述实施例中，第一表面211和第二表面212均为非球面。在投影光线110在经过第二透镜220、第三透镜230和胶合透镜240传输的过程中，投影光线110经过多次偏折，容易产生像差，导致成像模糊，不够清晰。这种像差主要是在靠近光轴位置的成像和远离光轴位置的成像不一致造成的。将第一表面211和第二表面212设置为非球面，通过中心位置的曲率和边缘位置的曲率不同，可以调整靠近光轴位置的成像和远离光轴位置的成像结果，减少靠近光轴位置的成像和远离光轴位置的成像差异，进而减少像差
在上述实施例中，第二透镜220具有接收投影光线110的第三表面221和出射投影光线110的第四表面222，第三表面221朝向投影光线110的入射方向凸起，第四表面222朝向投影光线110的出射方向凸起。也就是说第二透镜220的第三表面221和第二透镜220的第四表面222均是凸起的，即第二透镜220是双凸透镜。双凸透镜的中间部位焦距较长，双凸透镜的边缘部位的焦距较短。双凸透镜具有较好的会聚作用，因此双凸透镜可以将投影光线110有效的会聚在投影镜头20内。
在上述实施例中，第三表面221和第四表面222均为非球面。第二透镜220面向图像源10设置，发射投影光线110的图像源10通常尺寸较小，在投影光线110传输的过程中容易产生像差，导致成像模糊，不够清晰。这种像差主要是在靠近光轴位置的成像和远离光轴位置的成像不一致造成的。将第三表面221和第四表面222设置为非球面，通过中心位置的曲率和边缘位置的曲率不同，可以调整靠近光轴位置的成像和远离光轴位置的成像结果，减少靠近光轴位置的成像和远离光轴位置的成像差异，进而减少像差。
在上述实施例中，胶合透镜240包括沿投影光线110的传播方向依次设置第四透镜241、第五透镜242和第六透镜243，第四透镜241和第六透镜243为负透镜，第五透镜242为正透镜。投影光线110在传输过程中容易导致图像扭曲变形，尤其是在解析图像的过程中，这种扭曲变形是像差的一种，通常称为畸变。胶合透镜240可以缩短透镜之间光线的传播距离，此外，通过将第四透镜241和第六透镜243设置为负透镜，第五透镜242为正透镜的设计方式，也能够有效减少畸变的产生。具体地，在第五透镜242的入光面和第五透镜242的出光面设置有透明光学胶，将第四透镜241粘贴设置于第五透镜242的入光面，将第四透镜241粘贴设置于第五透镜242的出光面，如此有效的将第四透镜241、第五透镜242和第六透镜243胶合在一起。
在上述实施例中，第一透镜210的材质为塑胶，第二透镜220的材质为玻璃。在安装投影镜头20的过程中，图像源10发射投影光线110，通常将第一透镜210远离图像源10，第二透镜220靠近图像源10。图像源10在接通电源的情况下，发射投影光线110，在图像源10发射投影光线110的情况下，图像源10本身产生热量，通常来说，玻璃材质的透镜具有更高的耐高温特性，而塑胶材质的透镜在高温的影响下容易变形，甚至挥发有毒气体。通过上述可知，第一透镜210远离图像源10，因此可避免受到高温影响。第二透镜220为玻璃材质，能够很好的适应玻璃材质。同时，塑胶材质的成本比玻璃材质的成本低。将第一透镜210设置为塑胶材质也利于降低成本。
在上述实施例中，投影镜头20还包括光阑250，光阑250设置于第一透镜210和第二透镜220之间的光路中。光阑250用于限制通过的投影光线110的直径，从而使投影光线110的成像更加清晰，通常光阑250的孔径为一个固定值。当然为了灵活调整成像清晰度，使投影镜头20能够更好的适应高低分辨率的切换，还可以将光阑250设置为可以调整孔径大小的方式。
本发明还提供一种投影设备，投影设备包括图像源10和如上文投影镜头20，图像源10向投影镜头20发射投影光线110，振镜40具有处于连续振动的第一状态、以及处于静止的第二状态，投影设备还包括连接于振镜40的控制开关，控制开关用于控制振镜40在第一状态和第二状态之间切换。图像源10发射投影光线110，投影设备还包括电源(图未示)，电源连接于图像源10。在需要进行投影显示时，导通电源，图像源10在接通电源的情况下发射投影光线110。其中，图像源10一般是指微型显示器，微型显示器的尺寸较小。
投影镜头20接收图像源10发射的投影光线110，投影镜头20接收投影光线110后，对投影光线110进行解析处理，扩大投影光线110的成像尺寸，使人眼能够清晰的识别出显示画面的内容。
另外，振镜40为一块透明的玻璃板，通常振镜40的厚度为2mm。振镜40的振动通常是围绕中间位置的横轴或者纵轴转动。振镜40在静止时，投影光线110是垂直于振镜40的入光面射入振镜40的，并穿透于振镜40。振镜40在转动时，投影光线110和振镜40的入光面形成的入射角小于90°，由此投影光线110在经过振镜40后发生折射。投影光线110的成像位置发生变化。即投影光线110经过转动的振镜40，在原来成像位置周边另一位置也成像显示。由此，在原来的像素点周边，又形成另一个像素点。由于振镜40的高频振动，振动周期在微秒级别，两个像素点形成的间隔时间很短。而人眼具有视觉暂留特性，人眼能够识别的画面帧数是24帧数。简单来说，在下一个像素点形成后，人眼获取画面还停留在上一个像素点上，因此两个像素点组合在一起，进而形成一个更大的分辨率画面。
本实施例提出的技术方案中，通过投影镜头20对投影光线110进行解析成像。在振镜40处于第一状态时，投影光线110在振镜40连续振动的作用下，将光线转化为光脉冲的形式投射向人眼，依据人眼的目视暂留效应，光脉冲到达人眼后将一个像素扩展为两个像素点，进而提高了显示分辨率。振镜40处于第二状态时，光线直接透射于振镜40，此时人眼接收到的画面还是原本的一个像素点，显示的画面是低分辨率画面。通过控制开关来控制振镜40处于第一状态，还是处于第二状态，即通过控制开关来实现振镜40在第一状态和第二状态之间切换。由此可知，本实施例的技术方案能够根据使用需求，实现高低分辨率的切换，由此使用起来更加灵活方便。
进一步地，投影设备还包括透明保护层120，透明保护层120设于图像源10的出光面，振镜40和透明保护层120之间的光路中设有两直角棱镜形成的棱镜组30，两直角棱镜的抵接面和图像源10发射的投影光线110的角度在40°～50°之间。
具体地，透明保护层120为玻璃材质的盖玻片。透明保护层120的厚度为1.1mm。1.1mm厚度的盖玻片，既能够有效的保护图像源10，还能够使盖玻片设置在图像源10的出光面能够很好的透光率。盖玻片还用于避免图像源10进入灰尘。另外，图像源10有时是被动发光的，因此需要外部光源50给图像源10提供额外的照明。在振镜40和透明保护层120之间的光路中设有两直角棱镜形成的棱镜组30，直角棱镜的斜面相互抵接，形成抵接面。在抵接面上设置半反半透膜层310，外部光源50对应抵接面设置，在棱镜组30背离外部光源50侧设置有全反射膜层320。外部光源50发出照明光线510，射向半反半透膜层310，透射于半反半透膜层310，照明光线510再射向全反射膜层320，通过全反射膜层320的反射后再次射向半反半透膜层310，经过半反半透膜层310的反射后射向图像源10，由此为图像源10提供照明。
基于上述实施例，参阅表一，本发明中举例说明的各个透镜的表面的曲率半径和厚度，以及透镜的折射率和阿贝数。其中，第三表面至光阑的距离为第三表面的中心点至光阑的距离，序号间隔位置的厚度表示为两个透镜之间的距离。
表一
图2为本发明的调制传递函数图，即MTF(Modulation Transfer Function)图，MTF图用于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；其中最上面黑色虚线是理论上没有像差的曲线，越靠近黑色实线成像质量越好，大部分曲线位于0.5以上，符合设计规格。
图3为本发明的点列图；其中点列图是指由一点发出的许多光线经光学组件后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价所述投影光学***的成像质量。均方根半径值和几何半径值越小成像质量越好。其中，区域1～12的排列顺序是由左至右，由上至下，可见均方根半径值均小于5.4um，即小于一个像素点。
图4为本发明的场曲与畸变图，其中，场曲是指像场弯曲，主要用于表示光学组件中，整个光束的交点与理想像点的不重合程度。畸变是指物体通过光学组件成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。图中可见畸变在小于1％之间变动，畸变较小，符合设计规定。
图5为本发明的垂轴色差图，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***存在色散，在像方出射时变成多根光线，由图5可见，虽然出现色散，但是，中心视场色散小于2.7um为0.5个像素点，边缘小于3.58um，小于0.7个像素点。
以上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，凡是在本发明的发明构思下，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。
Claims (10)
1.一种投影镜头，其特征在于，所述投影镜头具有接收投影光线的入光端和出射所述投影光线的出光端，所述投影镜头包括：
第一透镜，所述第一透镜设置于所述出光端；
振镜，所述振镜设置于所述入光端，所述振镜至所述第一透镜的光路中依次设置第二透镜和第三透镜，所述第一透镜为负透镜，所述第二透镜和所述第三透镜为正透镜；以及
胶合透镜，所述胶合透镜设置于所述第二透镜和所述第三透镜之间的光路中。
2.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜具有接收所述投影光线的第一表面和出射所述投影光线的第二表面，所述第一表面朝向所述投影光线的入射方向凹陷，所述第二表面朝向所述投影光线的出射方向凸起。
3.如权利要求2所述的投影镜头，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面均为非球面。
4.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第二透镜具有接收所述投影光线的第三表面和出射所述投影光线的第四表面，所述第三表面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第四表面朝向所述投影光线的出射方向凸起。
5.如权利要求4所述的投影镜头，其特征在于，所述第三表面和所述第四表面均为非球面。
6.如权利要求1至5中任一项所述的投影镜头，其特征在于，所述胶合透镜包括沿所述投影光线的传播方向依次设置第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述第四透镜和所述第六透镜为负透镜，所述第五透镜为正透镜。
7.如权利要求1至5中任一项所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜的材质为塑胶，所述第二透镜的材质为玻璃。
8.如权利要求1至5中任一项所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头还包括光阑，所述光阑设置于所述第一透镜和所述第二透镜之间的光路中。
9.一种投影设备，其特征在于，所述投影设备包括图像源和如权利要求1至8中任一项所述投影镜头，所述图像源向所述投影镜头发射投影光线，所述振镜具有处于连续振动的第一状态、以及处于静止的第二状态，所述投影设备还包括连接于所述振镜的控制开关，所述控制开关用于控制所述振镜在所述第一状态和所述第二状态之间切换。
10.如权利要求9所述的投影设备，其特征在于，所述投影设备还包括透明保护层，所述透明保护层设于所述图像源的出光面，所述振镜和所述透明保护层之间的光路中设有两直角棱镜形成的棱镜组，两所述直角棱镜的抵接面和所述图像源发射的投影光线的角度在40°～50°之间。
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