本發明涉及投影顯示領域，特別是一種光學成像系統及投影系統。

背景技術：

投影顯示技術已經廣泛應用于家庭、商務、教育、工程等多個領域。為了縮短投影機與屏幕之間的距離，市場上出現了超短焦投影機。超短焦投影機的特點是，采用焦距很短的光學投影鏡頭，實現很小的投射比。為了實現較小的投射比，一般做法是在投影鏡頭與屏幕之間加入反射鏡，壓縮光路長度，使鏡頭可以距離屏幕較近。

但是，超短焦投影機隨著投射比的不斷降低，光學投影鏡組的視場角度不斷增大。當照明光束發散角度較大時，即進入鏡頭的光束的發散角度較大。為了接收大發散角的光束，投影鏡頭的F數將會比較小，從而增加投影鏡頭的設計和制作難度，投影成像質量也會隨之降低。由于鏡片的中心部分是其光學性能較佳的部分，而邊緣部分光學性能相對較弱。因此，當照明光束發散角度較大的時候，從而使得投影成像質量較差，比如畸變，模糊等。

在投影光路中，為了避免光能量損失，要求光學投影鏡組與照明鏡組之間的光瞳和F數互相匹配。目前，在超短焦投影系統中，為了盡可能多地收集光源產生的光束，為了使屏幕上圖像質量達到較好的水平，投影鏡頭的F數一般較小，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精度。這些措施，不僅降低了超短焦投影鏡頭的生產效率，增加了成本，而且最終屏幕上的圖像質量很難達到非常好的水平。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種能夠通過減小照明光束發散角度，增大投影鏡頭的F數，而提高成像質量的光學成像系統及投影系統。

一種光學成像系統，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，包括上述光學成像系統及光源，所述光源用于發出所述照明光束，所述光源位于所述照明鏡組遠離所述DMD光閥的一側。

在上述光學成像系統及投影系統中，通過設計光學成像系統的光機照明光路，使用照明鏡組大大壓縮照明光束的發散角，照明光束的發散角小于等于20度。投影鏡頭的F數為投影鏡頭的焦距除以光瞳直徑。則發散角的大小與投影鏡頭的F數相互成反比。當光源的發散角的大小被壓縮，從而提高投影鏡頭的F數。增大投影鏡頭的F數，從而可以降低投影鏡頭設計復雜度，降低投影鏡頭的制作難度，并提高屏幕上的圖像質量。

附圖說明

圖1為本發明實施方式的超短焦投影系統的光路圖；

圖2為另一發明實施方式的超短焦投影系統的結構示意圖。

附圖標記說明如下：1、2、超短焦投影系統；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。

具體實施方式

體現本發明特征與優點的典型實施方式將在以下的說明中詳細敘述。應理解的是本發明能夠在不同的實施方式上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的范圍，且其中的說明及圖示在本質上是當作說明之用，而非用以限制本發明。

本發明提供一種光學成像系統及投影系統。具體在本申請中，投影系統以超短焦投影系統為例說明，光學成像系統以超短焦投影系統的光學成像系統為例進行說明。

請參閱圖1，超短焦投影系統1包括光學成像系統及光源，光源用于發出照明光束。

光學成像系統包括照明鏡組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1中，通過設計光學成像系統的光機照明光路，使用照明鏡組11大大壓縮光源的發散角。投影鏡頭的F數為投影鏡頭的焦距除以光瞳直徑。則發散角的大小與投影鏡頭的F數相互成反比。當光源的發散角的大小被壓縮，從而提高投影鏡頭的F數。增大投影鏡頭的F數，從而可以降低投影鏡頭設計復雜度，降低投影鏡頭的制作難度，從而提高屏幕上的圖像質量。

具體在本實施方式中，照明光路采用像方遠心照明光路，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發出光束。光源10發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用于對照明光束的發散角進行初步壓縮，第二鏡組14用于對照明光束的發散角進行進一步壓縮。第一鏡組13與第二鏡組14之間設有光闌15。

第一鏡組13將光源光束的主光線會聚在光闌15上。照明鏡組11設計過程中，第一鏡組13的主要作用是將光源出射的光束角度進行壓縮。具體地，第一鏡組13包括2-4個鏡片。可以理解，第一鏡組13可以為球面鏡或非球面鏡。第一鏡組13為球面鏡的時候，球面鏡的造價較低，降低照明鏡組11的成本。第一鏡組13為非球面鏡的時候，非球面可使光學架構設計簡潔。

具體在本實施方式中，第一鏡組13選用多個球面鏡組成。具體地，第一鏡組13包括三個凸透鏡。多個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的凸面相對設置。光源光束經第一、第二凹凸形凸透鏡132及一個雙凸形凸透鏡會聚，使光束能夠使主光線會聚在光闌15上。第一凹凸形凸透鏡131、第二凹凸形凸透鏡132及一個雙凸形凸透鏡133的造價交底，降低第一鏡組13的制作成本。

光闌15限制進光光束的角度。光闌15的作用是限制進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。光源光束經過光闌15進入第二鏡組14。

第二鏡組14使各個不同視場角度光束角度壓縮，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出射的光束進一步壓縮，使其達到DMD光閥12的入射光束的角度要求。同時，使不同視場的主光線垂直入射到DMD光閥12，實現像方遠心。具體地，第二鏡組14包括2-5個鏡片。可以理解，第二鏡組14為球面鏡或非球面鏡。

具體在本實施方式中，第二鏡組14包括三個球面透鏡。且，三個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的凹面相對設置，凹凸形凸透鏡142的凸面與平凸形凸透鏡143的平面相對設置。通過光闌15的光束進入第二鏡組14，經第二鏡組14壓縮，使光束能夠全部投射到DMD光閥12上。

具體在本實施方式中，當照明光路為像方遠心光路的時候，照明光路系統滿足如下關系式：

其中，設照明系統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L1，照明鏡組11的最后鏡面中心到DMD光閥12的距離為L2。

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不會過長，避免照明鏡組11的體積過大。

通過上述關系式可知，當光源出射角度U1一定時，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，即上述的實現過程中，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，比較利于實現較小的角度U2。這是因為，對于照明鏡組來說，放大倍率僅與物距和像距有關，即與此處的L1、L2的比值有關。物距和像距相對于一個理想放大透鏡時測量的時候，其物面和像面位置都容易確定。但當為多個透鏡組成的鏡組時，其物面和像面可以位于多個透鏡之間，物距和像距也需要根據實際的物面和像面來確定，L1、L2并不一定是實際的物距和像距。因此在上述公式中，存在常量常數的估算值，該常數的變化與不同鏡組的光學主面的位置有關。

并且，在照明鏡組11設計過程中，根據光學擴展量守恒,照明鏡組11需要滿足以下關系式：

其中，照明系統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。照明光路系統滿足光學擴展量守恒，光學擴展量為光束所通過的面積和光束所占有的立體角的積分。

則光源光束經過照明鏡組11的第一鏡組13及第二鏡組14之后，光束發散角的角度被壓縮到±8度，降低投影鏡頭設計復雜度及制作難度。

具體在本實施方式中，光學成像系統還包括全反射棱鏡16。全反射棱鏡16設于第二鏡組14與DMD光閥12之間。在照明光路設計過程中，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。

請參閱圖2，在其他實施方式中，照明光路采用像方非遠心照明光路，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心照明光路的光照均勻性。本實施方式的超短焦投影系統2與像方遠心照明光路下的超短焦投影系統1相對比，相同部分內容不再贅述，其不同之處在于：

光學成像系統中的第一鏡組23包括兩個凸透鏡。且，兩個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的凸面相對設置。光源20光束經第一凹凸形凸透鏡231、第二凹凸形凸透鏡232會聚，使光束能夠使主光線會聚在光闌25上。

光闌25限制進光光束的角度。光闌25的作用是限制進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光束經過光闌25進入第二鏡組24。

具體地，第二鏡組24包括兩個凸透鏡。且，兩個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的平面相對設置。通過光闌15的光束進入第二鏡組24，經第二鏡組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心光路的時候，照明光路系統滿足如下關系式：

其中，照明系統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L1，照明鏡組21的最后鏡面中心到DMD光閥22的距離為L2。

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設計過程中，根據光學擴展量守恒,照明鏡組21需要滿足以下關系式：

其中，照明系統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。

則光源光束經過第一鏡組23與第二鏡組24之后，光源光束的發散角角度被壓縮到±10度。即U2＝20°時，光學投影鏡頭的F數等于2.88，可以與光學照明鏡組匹配，該參數下比較容易實現超短焦投影鏡頭，降低投影鏡頭設計復雜度及制作難度。

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

本實施方式的超短焦投影系統，通過將光學成像系統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系，能夠利于實現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，降低投影鏡組的設計難度，降低超短焦投影系統整體的調試難度和生產成本。同時，實現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的光能利用率。

雖然已參照幾個典型實施方式描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由于本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施方式不限于任何前述的細節，而應在隨附權利要求所限定的精神和范圍內廣泛地解釋，因此落入權利要求或其等效范圍內的全部變化和改型都應為隨附權利要求所涵蓋。