CN116300292A - 一种投影光路结构及投影广告灯 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种投影光路结构及投影广告灯，包括依次排列的照明模块、折射模块以及反射模块，照明模块包括依次设置于发射光路上的光源、光源保护玻璃、具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜以及玻璃菲林片，光源用于发射影像光束的；折射模块包括依次设置于折射光路上具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜、具有负光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜以及具有负光焦度的第九透镜，折射模块还包括孔径光阑，孔径光阑设置于折射光路上。本申请有助于改善投影灯的投影质量。

Description

一种投影光路结构及投影广告灯
技术领域
本申请涉及投影光路结构技术领域，尤其是涉及一种投影光路结构及投影广告灯。
背景技术
近年来，随着投影技术的发展，超短焦凭借其能够有效缩短投影距离，实现短距离内投射大尺寸画面的优势成为投影机市场的热点。
目前，投影灯行业成像方式多数为直投，直投方案存在投射距离远，清晰度不高，畸变大，安装问题，导致投射出的像面存在投射比较大，投射的像面畸变大，成像清晰度不高等问题。
因此，亟需一种投影光路结构及投影广告灯。
发明内容
针对投影灯投影质量不佳的问题，本申请提供一种投影光路结构。
本申请提供的一种投影光路结构及投影广告灯采用如下的技术方案：
第一方面，一种投影光路结构，包括依次排列的照明模块、折射模块以及反射模块，所述折射模块用于将进入所述折射模块的影像光束折射至所述反射模块中；所述反射模块用于将进入所述反射模块的影像光束反射成像至外界的投影屏幕；
所述照明模块包括依次设置于发射光路上的光源、光源保护玻璃、具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜以及玻璃菲林片，所述光源用于发射影像光束；
所述折射模块包括依次设置于折射光路上具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜、具有负光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜以及具有负光焦度的第九透镜，所述折射模块还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述折射光路上；
所述玻璃菲林片(15)设置于所述第二透镜(14)和所述第三透镜(21)之间，以使所述折射模块(2)与所述反射模块(3)配合形成像面，其中，所述像面为所述玻璃菲林片(15)的图案投射形成。
通过采用上述技术方案，将玻璃菲林片设置于第二透镜与第三透镜之间，以使光源发射的光线经过折射模块和反射模块静态投射出玻璃菲林片上的图案，以此实现静态投影，在没有光机模组也能实现成像，同时客户可以根据自己的需求制作具有不同的图案的玻璃菲林片来达到不同的显示效果，并且本光路结构中通过改善镜片焦距比，并根据每片镜片的材质，对照明模块和折射模块中的镜片进行有序排列和组合，以此提升投影光路结构的成像质量，并有效减少畸变，同时透镜采用玻璃或树脂材料，并将传统的DMD芯片替换为玻璃菲林片，以降低投影光路结构的整体成本，并提升产品再高温下的稳定性，即减少了各种电子元器件不稳定因素，延长了该投影光路再高温环境中的寿命。
可选的，所述反射模块为凹面反射镜，所述凹面反射镜为非球面反射镜或自由曲面反射镜。
通过采用上述技术方案，反射***采用非球面反射镜或自由曲面反射镜，可以有效压缩光线，校正象散和畸变，并提升了本光路结构的投射比。
可选的，所述第一透镜为玻璃平凸透镜，所述第二透镜为塑料非球面镜片、玻璃非球面镜片以及球面镜片中的任意一种。
通过采用上述技术方案，第二透镜为塑料非球面镜片、玻璃非球面镜片以及球面镜片中的任意一种，均提升了光源的光通量，使光源中心与边缘照度更加均匀，并将光源的发光角度从120°约束至10°，从而提升投影亮度。
可选的，所述第一透镜靠近所述光源的一侧为平面，所述第一透镜的背离所述光源的一侧为凸面；所述第二透镜的两侧均为凸面。
可选的，所述第二透镜采用下列公式进行表征：
Figure BDA0004151870150000021
其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为径向坐标，k为二次曲面系数，a4、a6、a8、a10、a12以及a14均为偶次非球面的高次项系数。
可选的，所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜以及所述第九透镜均为光学球面透镜，所述孔径光阑位于所述第五透镜和所述第六透镜之间。
通过采用上述技术方案，通过多个依次设置的球面透镜可以更好地校正投影光路结构的色差，采用衍射光学元件和折射光学元件结合的折衍混合***结构，具有很好的光学成像特性，在折射组不采用非球面的情况下，确保投影灯的高成像质量。
可选的，所述第三透镜的两侧均为凸面；所述第四透镜的两侧均为凸面；所述第五透镜的两侧均为凹面；所述第六透镜靠近所述光源的一侧为凹面，所述第六透镜背离所述光源的一侧为凸面；所述第七透镜的两侧均为凸面；所述第八透镜靠近所述光源的一侧为凸面，所述第八透镜背离所述光源的一侧为凹面；所述第九透镜的两侧均为凹面。
通过采用上述技术方案，在ZEMAX光学设计软件上将上述透镜的R值、厚度、空气间隙与材质设置成变量，并通过约束命令进行设计优化，在最小阻尼二乘法中寻找一个相对较佳的值，以优化折射模块的光学畸变和成像清晰度。
可选的，所述第四透镜与所述第五透镜组成胶合透镜，所述胶合透镜具有负光焦度。
通过采用上述技术方案，第四透镜与第五透镜组成胶合透镜，能够有效的消除***色差且利于装配。
可选的，所述投影光路结构的投射比为0.37。
通过采用上述技术方案，投影光路结构的投射比为0.37，满足超短焦的使用需求，大大缩短投影仪与投影屏幕之间的距离，在缩短投影距离的同时可以实现50英寸的图像显示。
第二方面，一种投影广告灯，包括壳体以及如上任一项所述的投影光路结构，所述投影光路结构设置于所述壳体内。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.将玻璃菲林片设置于第二透镜与第三透镜之间，以使光源发射的光线经过折射模块和反射模块静态投射出玻璃菲林片上的图案，以此实现静态投影，在没有光机模组也能实现成像，并且本光路结构中通过改善镜片焦距比，并根据每片镜片的材质，对照明模块和折射模块中的镜片进行有序排列和组合，以此提升投影光路结构的成像质量，并有效减少畸变，同时透镜采用玻璃或树脂材料，并将传统的DMD芯片替换为玻璃菲林片，以降低投影光路结构的整体成本，并提升产品再高温下的稳定性，即减少了各种电子元器件不稳定因素，延长了该投影光路再高温环境中的寿命，通过使用玻璃菲林片来更换不同的显示内容，达到客户对静态广告内容需求，使用玻璃菲林的成本比使用DMD和DLP技术的陈本降低90％。
2.投影镜头整体架构紧凑，通过设置孔径光阑、非球面透镜和非球面反射镜或自由曲面反射镜对大视场像差进行矫正，提高了投影镜头的解析能力，从而实现高质量的图像显示。
附图说明
图1是本申请提供的一种投影光路结构的光路图；
图2是本申请实施例提供的投影光路结构出射的投影光线投射到屏幕的光路图；
图3是本申请实施例提供的投影光路结构的调制传递函数表现图；
图4是本申请实施例提供的投影光路结构的光线相差图；
图5是本申请实施例提供的投影光路结构垂轴色差图的界面形式图；
图6是本申请实施例提供的投影光路结构的RMS图；
图7是本申请实施例提供的投影光路结构相对照度图。
附图标记说明：1、照明模块；11、光源；12、光源保护玻璃；13、第一透镜；14、第二透镜；15、玻璃菲林片；2、折射模块；21、第三透镜；22、第四透镜；23、第五透镜；24、孔径光阑；25、第六透镜；26、第七透镜；27、第八透镜；28、第九透镜；3、反射模块；31、凹面反射镜；32、保护玻璃。
具体实施方式
以下结合附图1-7对本申请提供一种投影光路结构的作进一步详细说明。
除非另作定义，本发明中使用的技术用语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
参考图1和图2，本申请实施例公开一种投影光路结构，包括依次排列的照明模块1、折射模块2以及反射模块3，折射模块2用于将进入折射模块2的影像光束折射至反射模块3中，反射模块3用于将进入反射模块3的影像光束反射成像至外界的投影屏幕。
照明模块1包括依次设置于发射光路上的光源11、光源保护玻璃12、具有正光焦度的第一透镜13、具有正光焦度的第二透镜14以及玻璃菲林片15，光源11用于发射影像光束，其中，光源11可以为LED灯珠或激光光源。
玻璃菲林片15由三片表面分别镀有红绿蓝三个波长介质膜的玻璃镜片组合而成，每一片玻璃镜片都使用激光打印机进行色彩剥离，玻璃菲林片15采用了H-K9L型号的光学玻璃。经过激光色彩剥离形成CMY相减混色模式的胶片，在长期的高温环境下不会导致投影图像色彩发黄氧化。
玻璃菲林片15设置于第二透镜14和第三透镜21之间，以使所述折射模块2与反射模块3配合形成像面，其中，像面为玻璃菲林片15的图案投射形成。
在本实施例中，第一透镜13为平凸镜片，第一透镜13靠近光源11的一侧为平面，第一透镜13背离光源11的一侧为凸面，第一透镜13的光学焦距为11.018mm，并且第一透镜13材料为H-ZLAF55D型号的光学玻璃；第二透镜14为非球面透镜，第二透镜14的两侧均为凸面，第二透镜14的光学焦距为14.105mm，第二透镜14可以为双面非球面加工注塑镜片或玻璃镜片。第二透镜14设置采用非球面透镜以使发散光源集中，进而约束光源11的发光角度、增加光通量和光源11出射光线的亮度均匀性。
非球透镜的设计参数采用下列公式进行表征：
Figure BDA0004151870150000051
其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为径向坐标，k为二次曲面系数，a4、a6、a8、a10、a12以及a14均为偶次非球面的高次项系数。在非球面数据中，E-n代表“×10-n”，例如8.00423E-06代表8.00423×10-6。非球面参数如表1所示。
表1：非球面透镜设计参数表
透镜半径R 56.51925CX -9.134388cx
二次曲面常数K 32.03165 -1.0102
4阶系数a4 0.0012083457 -0.00011171455
6阶系数a6 6.4246766e-07 7.6241346e-07
8阶系数a8 -7.5207451e-09 2.993681e-08
10阶系数a10 0 0
12阶系数a12 0 0
14阶系数a14 0 0
由LED灯珠出射的投影光束经过非球面透镜，有效的增加了LED灯珠的聚光亮度，使LED光线发射角度由120°调整后形成10°，减少了光线的折射角度，更大的利用光学能量，使投影光束照射在玻璃菲林片15上，增加玻璃菲林片15的投影亮度。
折射模块2包括依次设置于折射光路上具有正光焦度的第三透镜21、第四透镜22、第六透镜25、第七透镜26以及第八透镜27，具有负光焦度的第五透镜23和第九透镜28，折射模块2还包括孔径光阑24，孔径光阑24第五透镜23和第六透镜25之间。
在本实施例中，第三透镜21为双凸镜片，第三透镜21的光学焦距为29.542mm，并且第三透镜21材料为H-ZLAF50A型号的光学玻璃；第四透镜22为双凸镜片，第四透镜22的光学焦距为23.147mm，并且第四透镜22材料为H-QK3L型号的光学玻璃；第五透镜23为双凹弯月镜片，第五透镜23的两侧均为凹面，第五透镜23的光学焦距为-13.592mm，并且第五透镜23材料为H-ZF52型号的光学玻璃；第六透镜25为弯月镜片，第六透镜25的光学焦距为41.004mm，并且第六透镜25材料为H-ZBAF20型号的光学玻璃；第七透镜26为弯月镜片，第七透镜26的两侧均为凸面，第七透镜26的光学焦距为53.927mm，并且第七透镜26材料为H-LAF50B型号的光学玻璃；第八透镜27为双凸镜片，第八透镜27的光学焦距为53.69mm，并且第八透镜27材料为H-ZF4A型号的光学玻璃；第九透镜28为双凹镜片，第九透镜28的光学焦距为-25.147mm，并且第九透镜28材料为H-ZF4A型号的光学玻璃。
其中，第四透镜22与第五透镜23组成胶合透镜，第四透镜22为正透镜，第五透镜23为负透镜，该胶合透镜的光学焦距为-49.93mm，并且折射模块2中胶合透镜中的负透镜靠近光阑，胶合透镜中的正透镜为低折射率(Nd≤1.5)高阿贝数(Vd≥65)的材质，负透镜为高折射率(Nd≥1.8)低阿贝数(Vd≤25)的材质。
反射模块3包括凹面反射镜31和保护玻璃32，凹面反射镜31为非球面反射镜或自由曲面反射镜。其中，自由曲面反射镜为注塑加工而成，在表面镀有银或镍反射膜，以增加自由曲面反射镜的反射率，修正畸变色差。
在本实施中，自由曲面反射镜坐标需先沿Y轴平移81.074722并绕X轴旋转19.126597°，以(0,61)为坐标中心，截取一个82mm*68mm左右的矩形有效尺寸，进而形成自由曲面反射镜。
自由曲面反射镜的设计参数采用下列公式进行表征：
Figure BDA0004151870150000061
其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为径向坐标，k为二次曲面系数，N为级数中多项式系数的总数，Ai为第i项扩展多项式的系数。该多项式只是在x，y方向的幂级数。举例来说，多项式的第一项是x，然后是y，接着是x*x,x*y,y*y等等。1次项系数有2项，2次项系数有3项，3次项系数有4项，等等。最高次是20，使得多项式非球面系数总数的最大值为230。x和y等位置的数据值都会除以一个归一化半径，得到一个没有量纲的多项式系数。例如，多项扩展式中的第12项，附加数据项14,是x2y2项的系数。系数Ai均有透镜单位，如毫米、英寸。在自由曲面反射镜数据中，X4Y0代表X4Y0。自由曲面反射镜设计参数如表2所示。
在ZEMAX光学设计软件上将上述透镜的R值、厚度、空气间隙与材质设置成变量，并通过约束命令进行设计优化，在最小阻尼二乘法中寻找一个相对较佳的值，改设计参数只是相对较佳值中的较优案例，其余设计值也应当在保护范围内。
表二：自由曲面反射镜设计参数表
Figure BDA0004151870150000062
Figure BDA0004151870150000071
投影光路结构的投射比为0.37，满足超短焦的使用需求，大大缩短投影仪与投影屏幕之间的距离，在缩短投影距离的同时可以实现50英寸以上的图像显示。
投影光路结构的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)表现图如图3所示，图中横坐标代表空间频率，纵坐标代表调制传递函数比值。从图3可以看出，在奈奎斯特频率时，调制传递函数比值仍可大于50％，且调制传递函数比值无明显衰退，代表可清楚的解析每个像素，得到良好的影像品质。
图4所示为五种波长光线(0.435um、0.486um、0.55um、0.587um、0.66um)在归一化的各个视场条件下与主波长光线分别在x轴和y轴的之间的像差值。其12个图表分别表示归一化的12个视场；每个视场中的两个图表分别为投影***中以光轴为中心对称的x轴和y轴；每个图表中的横轴方向为该视场条件下的光瞳高度位置，纵轴方向为各个波长光线与主光线之间的误差。
图5是本申请垂轴色差图的界面形式图，垂轴色差描述的是各个视场位置的不同光波的主光线在像面处高度方向上的差值，纵坐标为物高视场值大小，横坐标为数值大小，单位微米。图中以主波长为基准，分别绘制蓝光、红光与绿光(主波长)之间各视场的色差值。从图中知，两个曲线的最大处横轴绝对值相加＜833*0.5，具有低横向色差的特征。
图6为本申请投影光路结构的RMS图，表示成像画面上不同视场条件下的光斑spot点，图中示意为在归一化的不同视场条件前提下，五种不同波长光线(0.435um、0.486um、0.55um、0.587um、0.66um)分别在某一视场条件下屏幕上的点光斑成像示意图。
图7示出了本实施例中投影光路结构的相对照度曲线，其表示成像面上不同视场角度的相对照度值，横轴表示视场(单位：mm)，纵轴表示相对照度(单位：％)。从图中可以看出，在视场为1.8-8.4mm之间时光学镜头的相对照度值大于80％，说明光学镜头具有极好地相对照度仍请参阅图1所示，本申请实施例还提供了一种投影广告灯(未示出)，包括壳体(未示出)以及投影光学结构，投影光学结构设置于壳体内，壳体用于固定投影光学结构。
本实施例提供的投影广告灯通过使用一个非球面面型透镜与八个球面面型透镜的匹配，极大程度地简化了镜头结构，缩小了镜头体积，降低了生产成本，同时实现了不同温度下的像质互补，并对每组镜片选型和配置，以改善镜片焦距比，并根据每片镜片的材质，对照明模块1和折射模块2中的镜片进行有序排列和组合，以此提升投影光路结构的成像质量，并有效减少畸变，同时透镜采用玻璃或树脂材料，并将传统的DMD芯片替换为玻璃菲林片15，以降低投影光路结构的整体成本，并提升产品再高温下的稳定性，即减少了各种电子元器件不稳定因素，延长了该投影光路再高温环境中的寿命。投影镜头整体架构紧凑，非球面透镜和非球面反射镜或自由曲面反射镜对大视场像差进行矫正，提高了投影镜头的亮度与解析能力，从而实现高质量的图像显示。
本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种投影光路结构，其特征在于，包括依次排列的照明模块(1)、折射模块(2)以及反射模块(3)，所述折射模块(2)用于将进入所述折射模块(2)的影像光束折射至所述反射模块(3)中；所述反射模块(3)用于将进入所述反射模块(3)的影像光束反射成像至外界的投影屏幕；
所述照明模块(1)包括光源(11)、依次设置于发射光路上的光源保护玻璃(12)、具有正光焦度的第一透镜(13)、具有正光焦度的第二透镜(14)以及玻璃菲林片(15)，所述光源(11)用于发射影像光束；
所述折射模块(2)包括依次设置于折射光路上具有正光焦度的第三透镜(21)、具有正光焦度的第四透镜(22)、具有负光焦度的第五透镜(23)、具有正光焦度的第六透镜(25)、具有正光焦度的第七透镜(26)、具有正光焦度的第八透镜(27)以及具有负光焦度的第九透镜(28)，所述折射模块(2)还包括孔径光阑(24)，所述孔径光阑(24)设置于所述折射光路上；
所述玻璃菲林片(15)设置于所述第二透镜(14)和所述第三透镜(21)之间，以使所述折射模块(2)与所述反射模块(3)配合形成像面，其中，所述像面为所述玻璃菲林片(15)的图案投射形成。
2.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于，所述反射模块(3)包括凹面反射镜(31)，所述凹面反射镜(31)为非球面反射镜或自由曲面反射镜。
3.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于，所述第一透镜(13)为玻璃平凸透镜，所述第二透镜为塑料非球面镜片、玻璃非球面透镜或球面透镜中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的投影光路结构，其特征在于，所述第一透镜(13)靠近所述光源(11)的一侧为平面，所述第一透镜(13)的背离所述光源(11)的一侧为凸面；所述第二透镜(14)的两侧均为凸面。
5.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于，所述第二透镜(14)采用下列公式进行表征：
Figure FDA0004151870140000011
其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为径向坐标，k为二次曲面系数，a4、a6、a8、a10、a12以及a14均为偶次非球面的高次项系数。
6.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于，所述第三透镜(21)、所述第四透镜(22)、所述第五透镜(23)、所述第六透镜(25)、所述第七透镜(26)、所述第八透镜(27)以及所述第九透镜(28)均为光学球面透镜，所述孔径光阑(24)位于所述第五透镜(23)和所述第六透镜(25)之间。
7.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于，所述第三透镜(21)的两侧均为凸面；所述第四透镜(22)的两侧均为凸面；所述第五透镜(23)的两侧均为凹面；所述第六透镜(25)靠近所述光源(11)的一侧为凹面，所述第六透镜(25)背离所述光源(11)的一侧为凸面；所述第七透镜(26)的两侧均为凸面；所述第八透镜(27)靠近所述光源(11)的一侧为凸面，所述第八透镜(27)背离所述光源(11)的一侧为凹面；所述第九透镜(28)的两侧均为凹面。
8.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于，所述第四透镜(22)与所述第五透镜(23)组成胶合透镜，所述胶合透镜具有负光焦度。
9.根据权利要求1所述的投影光路结构，其特征在于：所述投影光路结构的投射比为0.37。
10.一种投影广告灯，其特征在于，包括壳体以及如权利要求1-9任意一项所述的投影光路结构，所述投影光路结构设置于所述壳体内。
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