技术领域
[0001] 本申请涉及投影系统领域，特别是涉及一种近距离大画幅投影系统。
相关背景技术
[0002] 目前的投影系统大多应用于办公或家庭投影，而这类投影设备的投影距离(投影设备与投影成像面之间的距离)，一般需要达到1米以上，对空间的距离要求较高。随着投影设备在生活中扮演的角色越来越大，应用到的领域也会越来越多，这对近距离大画幅投影系统的要求也越来越高，由于空间尺寸限制，需要在近距离的空间投射出很大的画面，因此需要系统结构更加紧凑，成像效果更好，成本更低。现有技术中超短焦可实现近距离投影大画幅，但是，现有超短焦技术为了保证成像质量，镜片数量需要10片及以上才能满足要求，镜片数量多，导致超短焦投影成本居高不下。
具体实施方式
[0031] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0032] 使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
[0033] 本申请提供了一种近距离大画幅投影系统，如图1和图2所示，包括：
[0034] 光阀3、第一镜头组4、光阑8、第二镜头组6和显示屏9；所述第一镜头组4和所述第二镜头组6的透镜总数满足公式6≤透镜总数＜10；所述光阀3设置在照明系统1的出射光路上，所述第一镜头组4设置在光阀3的出射光路上，所述光阑8设置在所述第一镜头组4的出射光路上，所述第二镜头组6设置在所述光阑8的出射光路上，所述显示屏9设置在所述第二镜头组6的出射光路上，投影画面在显示屏9位置清晰显示，人眼直视显示屏9，可观测到清晰图像。所述光阀3可以为数字微镜器件(DMD)、液晶显示器(LCD)、反射式液晶显示器(LCOS)等光调制器。
[0035] 作为一种可选的实施方式，所述近距离大画幅投影系统还包括：光束偏转部件，所述照明系统1的出射光通过所述光束偏转部件2的第一输出光路偏转至所述光阀3上；所述光阀3的出射光经过所述光束偏转部件2的第二输出光路偏转至所述第一镜头组4上。
[0036] 作为一种可选的实施方式，所述光束偏转部件2包括第一棱镜2‑1和第二棱镜2‑2，所述第一棱镜2‑1设置在照明系统1的出射光路上，所述光阀3设置在所述第一棱镜2‑1的出射光路上，所述第二棱镜2‑2设置在所述光阀3的出射光路上，所述第一镜头组4设置在所述第二棱镜2‑2的出射光路上。
[0037] 作为一种可选的实施方式，两个镜头组包括6片透镜，所述第一镜头组4包括第一透镜4‑1、第二透镜4‑2和第三透镜4‑3，所述第二镜头组6包括第四透镜6‑1、第五透镜6‑2和第六透镜6‑3。所述第一透镜4‑1设置在所述光束偏转部件2的第二输出光路上，所述第二透镜4‑2设置在所述第一透镜4‑1的出射光路上，所述第三透镜4‑3设置在所述第二透镜4‑2的出射光路上，所述光阑8设置在所述第三透镜4‑3的出射光路上，所述第四透镜6‑1设置在所述光阑8的出射光路上，所述第五透镜6‑2设置在所述第四透镜6‑1的出射光路上，所述第六透镜6‑3设置在所述第五透镜6‑2的出射光路上，所述显示屏9设置在所述第六透镜6‑3的出射光路上。
[0038] 作为一种可选的实施方式，所述近距离大画幅投影系统还包括：
[0039] 第一反射镜5；所述光阑8的出射光通过所述第一反射镜5反射后入射所述第二镜头组6，且第一反射镜5反射面与目标平面夹角θ1满足公式35°≤θ1≤50°，所述目标平面为与显示屏9显示入射面9‑1垂直且所述第一镜头组4的光轴所在的平面，能够折叠光路，缩小空间。
[0040] 作为一种可选的实施方式，所述第一透镜4‑1设置在所述第二棱镜2‑2的出射光路上。所述光阑8的出射光通过所述第一反射镜5反射后入射所述第四透镜6‑1。
[0041] 作为一种可选的实施方式，所述近距离大画幅投影系统还包括：
[0042] 第二反射镜7；所述第六透镜6‑3的出射光通过所述第二反射镜7反射后照射在所述显示屏9上，具体的第六透镜6‑3的出射光照射在显示入射面9‑1，且第二反射镜7反射面与显示屏9显示入射面9‑1的夹角θ2满足公式35°≤θ2≤50°，能够折叠光路，压缩空间。第一反射镜5和第二反射镜7可以为平面反射镜。现有的镜片数量需要10片及以上的系统，出光面需要配置自由曲面反射镜，才能满足大画幅投影，然而自由曲面加工难度大，装配敏感，再加上镜片数量多，导致超短焦投影成本居高不下，本申请采用平面反射镜，也能降低成本。通过第一反射镜5和第二反射镜7折叠光路后，大大节省系统占用空间。
[0043] 在实际应用中，建立三维直角坐标系XYZ，其中，显示入射面9‑1所在平面为XY平面，第一反射镜5反射面垂直于XY平面，且第一反射镜5反射面与YZ平面夹角θ’1满足公式35°≤θ’1≤50°，第二反射镜7反射面垂直于XZ平面，且第二反射镜7反射面与XY平面夹角θ’2满足公式35°≤θ’2≤50°。
[0044] 作为一种可选的实施方式，所述第一镜头组焦距为正，所述第二镜头组焦距为负，所述近距离大画幅投影系统焦距f′满足公式5.85mm≤f′≤8.3mm，当f′为6.85mm时，所述近距离大画幅投影系统焦距最优，采用第一镜头组4焦距为正，第二镜头组6焦距为负的搭配可在保证成像质量的条件下增大视场角，从而起到增加投影画幅的作用。
[0045] 作为一种可选的实施方式，所述第一透镜4‑1、所述第二透镜4‑2和所述第四透镜6‑1均具有正光焦度，所述第三透镜4‑3、所述第五透镜6‑2和所述第六透镜6‑3均具有负光焦度。
[0046] 作为一种可选的实施方式，所述第二透镜4‑2的阿贝数Vd42与所述第三透镜4‑3的阿贝数Vd43之差大于50，即满足公式Vd42‑Vd43＞50。
[0047] 为一种可选的实施方式，4‑2透镜和4‑3透镜为双胶合透镜，用于校正系统色差。
[0048] 作为一种可选的实施方式，所述第一透镜4‑1、所述第二透镜4‑2和所述第三透镜4‑3的焦距满足如下公式：
[0049] |f41|＞|f43|＞|f42|且36mm≥f41+f42+f43≥28mm，其中，f41为第一透镜4‑1的焦距，f42为第二透镜4‑2的焦距，f43为第三透镜4‑3的焦距。
[0050] 作为一种可选的实施方式，所述第四透镜6‑1、所述第五透镜6‑2和第六透镜6‑3的焦距满足如下公式：
[0051] ‑33mm≤f61+f62+f63≤‑25mm，其中，f61为第四透镜6‑1的焦距，f62为第五透镜6‑2的焦距，f63为第六透镜6‑3的焦距。
[0052] 作为一种可选的实施方式，所述第六透镜6‑3左侧面曲率半径与所述第六透镜6‑3右侧面曲率半径满足如下公式：1.32≤(R631+R632)/(R632‑R631)≤2.65，其中，R631为第六透镜6‑3左侧面曲率半径，R632为第六透镜6‑3右侧面曲率半径；通过合理配置第六透镜6‑3的曲率半径，控制光线角度，能够有效降低系统像差，极大程度提高镜头成像效果。
[0053] 作为一种可选的实施方式，所述光阑8与所述第四透镜6‑1之间的距离与所述第四透镜6‑1的直径满足如下公式：L4/D61≥0.85，其中，L4为光阑8与第四透镜6‑1之间的距离，D61为第四透镜6‑1的直径。
[0054] 作为一种可选的实施方式，第六透镜6‑3与第二反射镜7之间的距离与第六透镜6‑3直径满足如下公式：L7/D63≥1.15，其中，L7为第六透镜6‑3与第二反射镜7之间的距离，D63为第六透镜6‑3的直径。
[0055] 本申请实施例中，光阑8、显示屏9、第一透镜4‑1、第二透镜4‑2、第三透镜4‑3、第四透镜6‑1、第五透镜6‑2和第六透镜6‑3的曲率半径(单位：mm)、中心厚度d(单位：mm)、折射率(Nd)和阿贝常数(Vd)如表1所示：
[0056] 表1
[0057]
[0058] 在表1中曲率半径代表镜片表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧，其中“无穷大”代表该表面为平面；厚度代表当前表面到下一表面的中心轴向距离，折射率代表当前透镜材料对光线的偏折能力，阿贝数代表当前透镜材料对光线的色散特性。
[0059] 第四透镜6‑1、第五透镜6‑2和第六透镜6‑3非球面透镜系数参见表2：
[0060] 表2
[0061]
[0062] 在表1和表2中R411代表第一透镜4‑1左侧面，R412代表第一透镜4‑1右侧面，R421代表第二透镜4‑2左侧面，R422代表第二透镜4‑2右侧面，也代表第三透镜4‑3左侧面，R431代表第三透镜4‑3右侧面，STO代表孔径光阑8面，R611代表第四透镜6‑1左侧面，R612代表第四透镜6‑1右侧面，R621代表第五透镜6‑2左侧面，R622代表第五透镜6‑2右侧面，R631代表第六透镜6‑3左侧面，R632代表第六透镜6‑3右侧面，IMA代表显示屏9，A、B、C、D、E、F、G为非球面多项式的4阶、6阶、8阶、10阶、12阶、14阶、16阶项系数，k为曲面圆锥系数。
[0063] 根据公式以及表2中的数据可以计算R611、R612、R621、R622、R631和R632沿光轴方向的矢高Z，r为垂直于光轴方向镜片的半口径，c为镜片曲率，R表示曲率半径，x表示x方向坐标值，y表示y方向坐标值。
[0064] 图3为本申请提供的近距离大画幅投影系统的调制传递函数图，即MTF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，用于评价对显示屏9细节部份还原能力；由图3中可以看出，所有视场曲线位于0.7以上，具有很好的解析力。
[0065] 图4为本申请提供的近距离大画幅投影系统的相对照度图，用于评价中心到边缘图像照度变化趋势，由图4可以看出边缘图像相对照度为中心图像相对照度的0.8以上，可保证边缘照度和中心照度差异较小，有利于人眼观测显示屏9图像时中心和边缘照度差异较小，具有良好的观测舒适度。
[0066] 图5为本申请提供的近距离大画幅投影系统的畸变图，畸变＜5％，低畸变有利于降低图像失真，具有良好的观测舒适度。
[0067] 本申请的有益效果：
[0068] 1、本申请成像系统仅采用6片透镜，在保证良好成像质量的条件下，实现投射比(投影距离/投影画面宽度)≤1，且畸变＜5％的良好成像效果，能清晰投影；由于镜片数量少，可降低成本，提高产品组装效率。
[0069] 2、本申请采用两片反射镜偏转光路，让投影系统与显示屏9平行排布，缩小系统体积，让系统更加小型化有利于提升产品应用场景，采用本申请的广角成像系统结合两片反射镜两次偏转光路的投影画幅，折返光路增加光程增大投影画幅，比在相同的空间内只使用本申请广角成像系统的投影画幅大2倍，并且采用平面反射镜即可保证成像效果，相比自由曲面反射镜，加工难度低，装配难度低，成本低。
[0070] 3、本申请投影系统光路排布紧凑，结构设计简单，便于装配，均匀性好。
[0071] 以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0072] 本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
