本發(fā)明涉及投影顯示領(lǐng)域，特別是一種光學(xué)成像系統(tǒng)及投影系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

投影顯示技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家庭、商務(wù)、教育、工程等多個(gè)領(lǐng)域。為了縮短投影機(jī)與屏幕之間的距離，市場(chǎng)上出現(xiàn)了超短焦投影機(jī)。超短焦投影機(jī)的特點(diǎn)是，采用焦距很短的光學(xué)投影鏡頭，實(shí)現(xiàn)很小的投射比。為了實(shí)現(xiàn)較小的投射比，一般做法是在投影鏡頭與屏幕之間加入反射鏡，壓縮光路長(zhǎng)度，使鏡頭可以距離屏幕較近。

但是，超短焦投影機(jī)隨著投射比的不斷降低，光學(xué)投影鏡組的視場(chǎng)角度不斷增大。當(dāng)照明光束發(fā)散角度較大時(shí)，即進(jìn)入鏡頭的光束的發(fā)散角度較大。為了接收大發(fā)散角的光束，投影鏡頭的F數(shù)將會(huì)比較小，從而增加投影鏡頭的設(shè)計(jì)和制作難度，投影成像質(zhì)量也會(huì)隨之降低。由于鏡片的中心部分是其光學(xué)性能較佳的部分，而邊緣部分光學(xué)性能相對(duì)較弱。因此，當(dāng)照明光束發(fā)散角度較大的時(shí)候，從而使得投影成像質(zhì)量較差，比如畸變，模糊等。

在投影光路中，為了避免光能量損失，要求光學(xué)投影鏡組與照明鏡組之間的光瞳和F數(shù)互相匹配。目前，在超短焦投影系統(tǒng)中，為了盡可能多地收集光源產(chǎn)生的光束，為了使屏幕上圖像質(zhì)量達(dá)到較好的水平，投影鏡頭的F數(shù)一般較小，比如小于2.4。這就要求一方面，在超短焦投影鏡頭中使用多個(gè)非球面鏡片來提高像差糾正能力，另一方面，還要提高鏡頭的加工和裝調(diào)精度。這些措施，不僅降低了超短焦投影鏡頭的生產(chǎn)效率，增加了成本，而且最終屏幕上的圖像質(zhì)量很難達(dá)到非常好的水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠通過減小照明光束發(fā)散角度，增大投影鏡頭的F數(shù)，而提高成像質(zhì)量的光學(xué)成像系統(tǒng)及投影系統(tǒng)。

一種光學(xué)成像系統(tǒng)，包括照明鏡組、DMD光閥及投影鏡頭，所述照明鏡組用于將照明光束的發(fā)散角壓縮，使照明光束投射到所述DMD光閥的靶面上，所述照明光束的發(fā)散角小于等于20度，所述投影鏡頭接收所述DMD光閥反射的光束，并成像后投射出去。

一種投影系統(tǒng)，包括上述光學(xué)成像系統(tǒng)及光源，所述光源用于發(fā)出所述照明光束，所述光源位于所述照明鏡組遠(yuǎn)離所述DMD光閥的一側(cè)。

在上述光學(xué)成像系統(tǒng)及投影系統(tǒng)中，通過設(shè)計(jì)光學(xué)成像系統(tǒng)的光機(jī)照明光路，使用照明鏡組大大壓縮照明光束的發(fā)散角，照明光束的發(fā)散角小于等于20度。投影鏡頭的F數(shù)為投影鏡頭的焦距除以光瞳直徑。則發(fā)散角的大小與投影鏡頭的F數(shù)相互成反比。當(dāng)光源的發(fā)散角的大小被壓縮，從而提高投影鏡頭的F數(shù)。增大投影鏡頭的F數(shù)，從而可以降低投影鏡頭設(shè)計(jì)復(fù)雜度，降低投影鏡頭的制作難度，并提高屏幕上的圖像質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施方式的超短焦投影系統(tǒng)的光路圖；

圖2為另一發(fā)明實(shí)施方式的超短焦投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明如下：1、2、超短焦投影系統(tǒng)；10、20、光源；11、21、照明鏡組；12、22、DMD光閥；13、23、第一鏡組；131、231、第一凹凸形凸透鏡；132、232、第二凹凸形凸透鏡；14、24、第二鏡組；141、平凹形凹透鏡；142、凹凸形凸透鏡；143、平凸形凸透鏡；241、第一平凸形凸透鏡；242、第二平凸形凸透鏡；15、25、光闌；16、26、全反射棱鏡。

具體實(shí)施方式

體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點(diǎn)的典型實(shí)施方式將在以下的說明中詳細(xì)敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的實(shí)施方式上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及圖示在本質(zhì)上是當(dāng)作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明提供一種光學(xué)成像系統(tǒng)及投影系統(tǒng)。具體在本申請(qǐng)中，投影系統(tǒng)以超短焦投影系統(tǒng)為例說明，光學(xué)成像系統(tǒng)以超短焦投影系統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。

請(qǐng)參閱圖1，超短焦投影系統(tǒng)1包括光學(xué)成像系統(tǒng)及光源，光源用于發(fā)出照明光束。

光學(xué)成像系統(tǒng)包括照明鏡組11、DMD光閥12及投影鏡頭。照明鏡組11用于將照明光束的發(fā)散角壓縮，使照明光束投射到所述DMD光閥12的靶面上，照明光束的發(fā)散角小于等于20度。投影鏡頭接收DMD光閥12反射的光束，并成像后投射出去。

在上述超短焦投影系統(tǒng)1中，通過設(shè)計(jì)光學(xué)成像系統(tǒng)的光機(jī)照明光路，使用照明鏡組11大大壓縮光源的發(fā)散角。投影鏡頭的F數(shù)為投影鏡頭的焦距除以光瞳直徑。則發(fā)散角的大小與投影鏡頭的F數(shù)相互成反比。當(dāng)光源的發(fā)散角的大小被壓縮，從而提高投影鏡頭的F數(shù)。增大投影鏡頭的F數(shù)，從而可以降低投影鏡頭設(shè)計(jì)復(fù)雜度，降低投影鏡頭的制作難度，從而提高屏幕上的圖像質(zhì)量。

具體在本實(shí)施方式中，照明光路采用像方遠(yuǎn)心照明光路，即光束的主光線垂直于DMD光閥12的表面，像方遠(yuǎn)心照明光路能夠使DMD光閥12靶面上得到較高的光照均勻性。

光源10發(fā)出光束。光源10發(fā)出的光源光束的角度為±30度。可以理解，光源10可以為激光光束或LED光束。此處對(duì)光源10的類型并不做任何限定。

照明鏡組11包括沿光源10光束的出光方向前后排列的第一鏡組13及第二鏡組14。第一鏡組13用于對(duì)照明光束的發(fā)散角進(jìn)行初步壓縮，第二鏡組14用于對(duì)照明光束的發(fā)散角進(jìn)行進(jìn)一步壓縮。第一鏡組13與第二鏡組14之間設(shè)有光闌15。

第一鏡組13將光源光束的主光線會(huì)聚在光闌15上。照明鏡組11設(shè)計(jì)過程中，第一鏡組13的主要作用是將光源出射的光束角度進(jìn)行壓縮。具體地，第一鏡組13包括2-4個(gè)鏡片?？梢岳斫猓谝荤R組13可以為球面鏡或非球面鏡。第一鏡組13為球面鏡的時(shí)候，球面鏡的造價(jià)較低，降低照明鏡組11的成本。第一鏡組13為非球面鏡的時(shí)候，非球面可使光學(xué)架構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔。

具體在本實(shí)施方式中，第一鏡組13選用多個(gè)球面鏡組成。具體地，第一鏡組13包括三個(gè)凸透鏡。多個(gè)凸透鏡包括沿光傳播方向依次排列的第一凹凸形凸透鏡131、第二凹凸形凸透鏡132及一個(gè)雙凸形凸透鏡133。第一凹凸形凸透鏡131的凸面與第二凹凸形凸透鏡132的凸面相對(duì)設(shè)置。光源光束經(jīng)第一、第二凹凸形凸透鏡132及一個(gè)雙凸形凸透鏡會(huì)聚，使光束能夠使主光線會(huì)聚在光闌15上。第一凹凸形凸透鏡131、第二凹凸形凸透鏡132及一個(gè)雙凸形凸透鏡133的造價(jià)交底，降低第一鏡組13的制作成本。

光闌15限制進(jìn)光光束的角度。光闌15的作用是限制進(jìn)入照明光路的入射光束角度的作用，決定了照明光路的光能利用率。光源光束經(jīng)過光闌15進(jìn)入第二鏡組14。

第二鏡組14使各個(gè)不同視場(chǎng)角度光束角度壓縮，以滿足DMD光閥12的靶面光束角度要求。第二鏡組14的主要作用是將從第一鏡組13出射的光束進(jìn)一步壓縮，使其達(dá)到DMD光閥12的入射光束的角度要求。同時(shí)，使不同視場(chǎng)的主光線垂直入射到DMD光閥12，實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心。具體地，第二鏡組14包括2-5個(gè)鏡片?？梢岳斫?，第二鏡組14為球面鏡或非球面鏡。

具體在本實(shí)施方式中，第二鏡組14包括三個(gè)球面透鏡。且，三個(gè)球面透鏡為沿光傳播方向依次排列的平凹形凹透鏡141、凹凸形凸透鏡142及平凸形凸透鏡143。平凹形凹透鏡141的凹面與凹凸形凸透鏡142的凹面相對(duì)設(shè)置，凹凸形凸透鏡142的凸面與平凸形凸透鏡143的平面相對(duì)設(shè)置。通過光闌15的光束進(jìn)入第二鏡組14，經(jīng)第二鏡組14壓縮，使光束能夠全部投射到DMD光閥12上。

具體在本實(shí)施方式中，當(dāng)照明光路為像方遠(yuǎn)心光路的時(shí)候，照明光路系統(tǒng)滿足如下關(guān)系式：

其中，設(shè)照明系統(tǒng)光接收面的光束角度為U1，即，光源的光束角度為U1，DMD光閥12的光束角度為U2，光源出光面距離照明鏡組11的最前鏡面中心的距離為L(zhǎng)1，照明鏡組11的最后鏡面中心到DMD光閥12的距離為L(zhǎng)2。

即，L1為光源出光面距第一鏡組13的第一凹凸形凸透鏡131中心的距離，即為物距。L2為第二鏡組14的平凸形凸透鏡143中心距DMD光閥12的距離，即為像距。

由于超短焦投影系統(tǒng)1的放大倍率已定，為了減小照明鏡組11的體積，需要保證光源出光面到第一凹凸形凸透鏡131中心的距離L1盡量小，從而限定第二鏡組14的平凸形凸透鏡143中心距DMD光閥12的距離L2不會(huì)過長(zhǎng)，避免照明鏡組11的體積過大。

通過上述關(guān)系式可知，當(dāng)光源出射角度U1一定時(shí)，如果要使得DMD光閥12的光束角度U2盡量小，則U1/U2的比值較大。因此需要L2/L1的比值較大，即上述的實(shí)現(xiàn)過程中，L1盡可能小，而L2盡量較大，也就是增加第二鏡組14與DMD光閥12之間的距離，比較利于實(shí)現(xiàn)較小的角度U2。這是因?yàn)?，?duì)于照明鏡組來說，放大倍率僅與物距和像距有關(guān)，即與此處的L1、L2的比值有關(guān)。物距和像距相對(duì)于一個(gè)理想放大透鏡時(shí)測(cè)量的時(shí)候，其物面和像面位置都容易確定。但當(dāng)為多個(gè)透鏡組成的鏡組時(shí)，其物面和像面可以位于多個(gè)透鏡之間，物距和像距也需要根據(jù)實(shí)際的物面和像面來確定，L1、L2并不一定是實(shí)際的物距和像距。因此在上述公式中，存在常量常數(shù)的估算值，該常數(shù)的變化與不同鏡組的光學(xué)主面的位置有關(guān)。

并且，在照明鏡組11設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)光學(xué)擴(kuò)展量守恒,照明鏡組11需要滿足以下關(guān)系式：

其中，照明系統(tǒng)光接收面的光束角度為U1，即光源的光束角度為U1，DMD光閥12的光束角度為U2，照明系統(tǒng)的入光面的尺寸為Y1，DMD光閥12的光接收面尺寸為Y2。照明光路系統(tǒng)滿足光學(xué)擴(kuò)展量守恒，光學(xué)擴(kuò)展量為光束所通過的面積和光束所占有的立體角的積分。

則光源光束經(jīng)過照明鏡組11的第一鏡組13及第二鏡組14之后，光束發(fā)散角的角度被壓縮到±8度，降低投影鏡頭設(shè)計(jì)復(fù)雜度及制作難度。

具體在本實(shí)施方式中，光學(xué)成像系統(tǒng)還包括全反射棱鏡16。全反射棱鏡16設(shè)于第二鏡組14與DMD光閥12之間。在照明光路設(shè)計(jì)過程中，全反射棱鏡16可以等效為具有一定厚度的平行平板，需要保證入射光束在全反射棱鏡的斜面上的入射角度滿足全反射要求。

請(qǐng)參閱圖2，在其他實(shí)施方式中，照明光路采用像方非遠(yuǎn)心照明光路，即光束的主光線不垂直于DMD光閥的表面，像方非遠(yuǎn)心照明光路能夠使照明光路的體積縮小，但是在DMD光閥靶面上得到較高的光照均勻性比像方遠(yuǎn)心照明光路的光照均勻性。本實(shí)施方式的超短焦投影系統(tǒng)2與像方遠(yuǎn)心照明光路下的超短焦投影系統(tǒng)1相對(duì)比，相同部分內(nèi)容不再贅述，其不同之處在于：

光學(xué)成像系統(tǒng)中的第一鏡組23包括兩個(gè)凸透鏡。且，兩個(gè)凸透鏡為沿光傳播方向依次排列的第一凹凸形凸透鏡231、第二凹凸形凸透鏡232。第一凹凸形凸透鏡231的凸面與第二凹凸形凸透鏡232的凸面相對(duì)設(shè)置。光源20光束經(jīng)第一凹凸形凸透鏡231、第二凹凸形凸透鏡232會(huì)聚，使光束能夠使主光線會(huì)聚在光闌25上。

光闌25限制進(jìn)光光束的角度。光闌25的作用是限制進(jìn)入照明光路的入射光束角度的作用，決定了照明光路的光能利用率。光源20光束經(jīng)過光闌25進(jìn)入第二鏡組24。

具體地，第二鏡組24包括兩個(gè)凸透鏡。且，兩個(gè)凸透鏡為沿光傳播方向依次排列的第一平凸形凸透鏡241及第二平凸形凸透鏡242。第一平凸形凸透鏡241的凸面與第二平凸形凸透鏡242的平面相對(duì)設(shè)置。通過光闌15的光束進(jìn)入第二鏡組24，經(jīng)第二鏡組24壓縮，使光束能夠全部投射到DMD光閥22上。

照明光路為像方非遠(yuǎn)心光路的時(shí)候，照明光路系統(tǒng)滿足如下關(guān)系式：

其中，照明系統(tǒng)光接收面的光束角度為U1，即光源20的光束角度為U1，DMD光閥22的光束角度為U2，光源20出光面距離照明鏡組21的最前鏡面中心的距離為L(zhǎng)1，照明鏡組21的最后鏡面中心到DMD光閥22的距離為L(zhǎng)2。

即，L1為光源20出光面距第一鏡組23的第一凹凸形凸透鏡231中心的距離，即為物距。L2為第二鏡組24的第一平凸形凸透鏡241中心距DMD光閥22的距離，即為像距。并且，在照明鏡組21設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)光學(xué)擴(kuò)展量守恒,照明鏡組21需要滿足以下關(guān)系式：

其中，照明系統(tǒng)光接收面的光束角度為U1，即光源10的光束角度為U1，DMD光閥22的光束角度為U2。

則光源光束經(jīng)過第一鏡組23與第二鏡組24之后，光源光束的發(fā)散角角度被壓縮到±10度。即U2＝20°時(shí)，光學(xué)投影鏡頭的F數(shù)等于2.88，可以與光學(xué)照明鏡組匹配，該參數(shù)下比較容易實(shí)現(xiàn)超短焦投影鏡頭，降低投影鏡頭設(shè)計(jì)復(fù)雜度及制作難度。

像方遠(yuǎn)心光路和像方非遠(yuǎn)心光路的根本區(qū)別是主光線是否平行。像方非遠(yuǎn)心光路與像方非遠(yuǎn)心光路相比，像方非遠(yuǎn)心光路的照明光束在DMD光閥22上的照度均勻性更好。

本實(shí)施方式的超短焦投影系統(tǒng)，通過將光學(xué)成像系統(tǒng)的照明鏡組分為第一鏡組與第二鏡組。并且，限定第一鏡組與第二鏡組的距離關(guān)系，能夠利于實(shí)現(xiàn)較小角度的光源光束能夠入射至DMD光閥上。

從而提高投影鏡頭的F數(shù)，降低投影鏡組的設(shè)計(jì)難度，降低超短焦投影系統(tǒng)整體的調(diào)試難度和生產(chǎn)成本。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)較小角度的光源光束入射到DMD光閥上，有利于提高DMD光閥的光效，提升超短焦投影系統(tǒng)的光能利用率。

雖然已參照幾個(gè)典型實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語是說明和示例性、而非限制性的術(shù)語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施方式不限于任何前述的細(xì)節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。