一种投影物镜及扫描显示装置的制作方法

1.本发明涉及显示技术领域，特别涉及一种投影物镜及扫描显示装置。


背景技术：

2.随着光纤扫描器的发展，光纤扫描器的投影成像成为了一个急待解决的问题。光纤扫描投影技术的成像原理是：通过致动器带动扫描光纤进行预定二维扫描轨迹的运动，同时调制光源出光功率，将待显示图像的每个像素点信息逐一投射到成像区域上，从而形成投射画面。
3.图1a和图1b为现有的光纤扫描投影系统的结构示意图，其中图1b为图1a的侧视图。光纤扫描器投影系统包括：处理器100、激光单元110、光纤扫描器120、光纤130、光源调制模块140、扫描驱动模块150及光源合束模块160。其中，光纤扫描器120包括致动器121、底座125和壳体124，光纤130固定于致动器120上，且超出致动器121的部分形成光纤悬臂122。工作时，处理器100通过向扫描驱动模块150发送电控制信号来控制光纤扫描器120振动扫描，同时，处理器100通过向光源调制模块140发送电控制信号来控制合束模块160的出光功率。光源调制模块140根据接收到的电控制信号输出光源调制信号，以调制光源合束模块160中的一个或多个颜色的激光单元110，图中示出其包括红(r)、绿(g)、蓝(b)三色激光器；光源合束模块160中每种颜色的激光单元110产生的光经合束后逐一产生每个像素点的色彩和灰度信息，光源合束模块出射的合束光束通过光纤导入光纤扫描器。同步地，扫描驱动电路150根据接收到的电控制信号输出扫描驱动信号，以控制光纤扫描器120中的光纤130以预定的二维扫描轨迹进行扫描运动，以将传输光纤130中传输的光束扫描输出。
4.投影物镜是用于将处在投影物镜物侧的扫描面上的弧型图案成像到投影物镜的像侧上，弧形图像即为投影物镜的物方，如图1b中标号123所示位置处。但由于光纤扫描器扫描出来的物侧为一弧面，而现有投影物镜作用的物侧(即图像源的像面)通常为平面，故现有投影物镜不能够对光纤扫描器扫描出来的弧面图像清晰成像。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的是提供一种投影物镜及扫描显示装置，用以解决光纤扫描器的弧型扫描像面的成像问题，本方案通过设置光学系统中各透镜的焦距来使图像源(如光纤扫描器)的弧型像面放大成像于一平面，通过合理优化面型，合理分配焦距，使用较少的镜片，较少的玻璃材料，校正多种像差，实现清晰成像。
6.为了实现上述发明目的，第一方面，本发明实施例第一方面提供了一种投影物镜，包括由物侧至像侧依次共光轴设置的第一透镜组和第二透镜组；
7.所述第一透镜组包括由物侧至像侧依次设置的焦距依序为正、正、正、正及负的第一透镜至第五透镜共5个透镜；所述第一透镜的物侧面为凹面，第四透镜和所述第五镜头组合形成第一双胶合透镜，所述第五透镜为双凹透镜；
8.所述第二透镜组包括由物侧至像侧依次设置的焦距依序为正、正、负、负、负及正
的第六透镜至第十一透镜共6个透镜；其中，第十透镜的物侧面为凹面，十一透镜的像侧面为凸面，所述第十透镜和所述第十一镜头组合形成第二双胶合透镜。
9.可选的，第二透镜和第四透镜均为双凸透镜，第三透镜的物侧面为凸面，第六透镜的像侧面为凸面，第七透镜的物侧面为凸面，第八透镜为双凹透镜，第九透镜的物侧面为凹面。
10.可选的，所述第一透镜组的等效焦距为f1，所述第二透镜组的等效焦距为f2，其满足关系式：
11.f2/f1＞1.5。
12.可选的，所述第二透镜和所述第三透镜形成的等效焦距为f3，所述投影物镜的等效焦距为f，其满足关系式：
13.1.4<f3/f<4.2。
14.可选的，所述投影物镜还满足以下关系式：
15.2.00<f1/f<2.60，
16.2.30<f2/f<2.90，
17.4.60<f3/f<5.60，
18.1.00<f4/f<1.20，
[0019]-0.50<f5/f<-0.40，
[0020]
1.50<f6/f<1.90，
[0021]
1.40<f7/f<1.80，
[0022]-0.45<f8/f<-0.36，
[0023]-1.00<f9/f<-0.82，
[0024]-3.23<f10/f<-2.64，
[0025]
1.86<f11/f<2.27，
[0026]
其中，f是所述投影物镜的等效焦距，f1为所述第一透镜的焦距,f2为所述第二透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距，f4为所述第四透镜的焦距，f5为所述第五透镜的焦距，f6为所述第六透镜的焦距，f7为所述第七透镜的焦距，f8为所述第八透镜的焦距，f9为所述第九透镜的焦距，f10为所述第十透镜的焦距，f11为所述第十一透镜的焦距。
[0027]
可选的，所述投影物镜还满足以下关系式：
[0028]
7.31<f1<10.97，
[0029]
8.24<f2<12.36，
[0030]
16.46<f3<24.69，
[0031]
3.55<f4<5.33，
[0032]-2.06<f5<-1.44，
[0033]
5.37<f6<8.05，
[0034]
5.14<f7<7.71，
[0035]-1.88<f8<-1.26，
[0036]-4.37<f9<-2.92，
[0037]-14.1<f10<-9.4，
[0038]
6.61<f11<9.91。
[0039]
可选的，所述投影物镜还满足以下关系式：
[0040]
1.7<n1<2.0，
[0041]
1.5<n2<1.7，
[0042]
1.5<n3<1.7，
[0043]
1.5<n4<1.7，
[0044]
1.7<n5<2.0，
[0045]
1.5<n6<1.7，
[0046]
1.7<n7<2.0，
[0047]
1.7<n8<2.0，
[0048]
1.7<n9<2.0，
[0049]
1.5<n10<1.7，
[0050]
1.7<n11<2.0，
[0051]
其中，n1为所述第一透镜的折射率，n2为所述第二透镜的折射率，n3为所述第三透镜的折射率，n4为所述第四透镜的折射率，n5为所述第五透镜的折射率，n6为所述第六透镜的折射率，n7为所述第七透镜的折射率，n8为所述第八透镜的折射率，n9为所述第九透镜的折射率，n10为所述第十透镜的折射率，n11为所述第十一透镜的折射率。
[0052]
可选的，所述投影物镜还包括光阑，共光轴地设置于所述第五透镜和所述第六透镜之间。
[0053]
可选的，在所述光轴上，所述第五透镜的像侧面到所述光阑的中心的距离为d1，所述光阑的中心到所述第六透镜的物侧面的距离为d2，其满足关系式：d1>d2。
[0054]
可选的，所述透镜镜头的物方到所述第十一透镜的像侧面之间的距离小于3.7cm。
[0055]
可选的，所述投影物镜的等效焦距为4mm。
[0056]
第二方面，本发明实施例提供一种扫描显示装置，包括光纤扫描器及与所述光学扫描器对应的如第一方面所述的投影物镜，所述光纤扫描器包括致动器和固定于所述致动器上的光纤，所述光纤超过所述致动器的部分形成光纤悬臂；其中，所述致动器包括第一致动部和与所述第一致动部连接的第二致动部；在驱动信号的作用下，所述第一致动部在第一方向上运动，所述第二致动部带动所述第一致动部在第二方向上运动，所述光纤悬臂在所述第一方向和所述第二方向的合成方向上运动，所述第一致动部的运动频率大于等于所述第二致动器的运动频率。
[0057]
本发明实施例中，通过对投影物镜的两个透镜组共11个同光轴透镜中各透镜的焦距的设置，能合理分散系统的光焦度，减缓镜片所产生的像差，实现对弧型物方的清晰成像。同时，光阑的物侧面为第一双胶合透镜，第一双胶合透镜的像侧面为双凸透镜，物侧面为双凹透镜，可有效校正像差，通过加入第二双胶透镜，可进一步减小镜头的色差，提高成像质量。
附图说明
[0058]
图1a至图1b为现有的光纤扫描投影系统的结构示意图；
[0059]
图2为本发明实施例提供的投影物镜的结构及成像示意图(快轴扫描方向)；
[0060]
图3为本发明实施例提供的投影物镜的成像示意图(慢轴扫描方向)；
[0061]
图4a为本发明实施例中投影物镜对光纤扫描器成像时的mtf曲线图；
[0062]
图4b为本发明实施例中投影物镜对光纤扫描器成像时的畸变曲线图。
具体实施方式
[0063]
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一部分实施例，并不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。
[0064]
本发明实施例提供的投影物镜，用于将处在投影物镜物侧的扫描面上的弧型图案成像到投影物镜的像侧上，同时，通过引入两个双胶合透镜，减小镜头的色差。其中，物侧的弧型图案是由图1a-图1b所示的光纤扫描器扫描出的或其他图像源发射出的呈弧型的扫描面；像侧是投影屏幕、幕布或墙面等投影成像面。
[0065]
首先，对本发明实施例中投影物镜所应用的扫描显示装置进行介绍，以便本领域技术人员的理解。
[0066]
本发明实施例中的扫描显示装置包括光纤扫描器及与该光纤扫描器对应的上述投影物镜，该装置可作用的波长范围至少包括400nm-700nm。其中，光纤扫描器包括光纤和致动器，光纤沿致动器的延伸方向(参考图1a中标识a至标识b的方向)固定于致动器上且光纤超过致动器的部分形成光纤悬臂。致动器包括快轴致动部及与快轴致动部相连的慢轴致动部，例如两者通过胶粘、镶嵌固结以及增加固定结构等方式连接在一起，或者致动器也可以是一体成型的；一体成型的致动器的形状可以是片状或柱状，或是两者形态的结合，其中柱状包括圆柱状和方柱状等，如圆棒(管)、方棒(管)。快轴致动部的驱动频率大于等于慢轴致动部的驱动频率。在驱动信号的作用下，快轴致动部在快轴方向上扫描运动，慢轴致动部带动快轴致动部在慢轴方向上扫描运动，致动器带动光纤悬臂在快轴方向和慢轴方向的合成方向上进行二维扫描运动，如栅格扫描方式、螺旋扫描方式等，形成弧型扫描面(对应于投影物镜的像面)。优选的，快轴方向为x方向，慢轴方向为y方向。
[0067]
在实际应用中，通过控制光纤扫描器的驱动信号，可控制光纤扫描器中光纤对应的扫描轨迹。本发明实施例中光纤扫描器通过快慢轴的运动，快轴方向及慢轴方向上的扫描轨迹分别具有相应的曲率半径，光纤出光端运动轨迹相应形成的弧型扫描面即为投影物镜的物方；其中，当慢轴方向上的扫描轨迹的曲率半径为“ ∞”时，表明弧型像方中y方向上的扫描轨迹的弧度趋于直线，此时扫描面形似柱面。由于光纤扫描器中光纤的出光光斑小，即发光面像素单元小，这就需要镜头具有较高的分辨率，以实现对光纤扫描器出射的弧型扫描面进行清晰成像。
[0068]
接下来，介绍本发明实施例中的投影物镜。
[0069]
图2-图3为本发明实施例提供的投影物镜的一种示意结构。该投影物镜包括从物侧至像侧共光轴依次设置的第一透镜组和第二透镜组，其中，第一透镜组包括由物侧至像侧依次设置且焦距依序为正、正、正、正及负的第一透镜1至第五透镜5共五个透镜，第一透镜1的物侧面为凹面，利于降低光学敏感度，第五透镜5为双凹透镜，第四透镜4和第五镜头5组成第一双胶合透镜；第二透镜组包括由物侧至像侧依次设置且焦距依序为正、正、负、负、负及正的第六透镜6至第十一透镜11共六个透镜，其中，第十透镜10的物侧面为凹面，第十
一透镜11的像侧面为凸面，且第十透镜10和第十一镜头11组成第二双胶合透镜。
[0070]
其中，第四透镜4和第五透镜5可通过光学胶粘合等组成第一双胶合透镜；同理，第十透镜10和第十一透镜11也可通过光学胶粘合组成第二双胶合透镜。在投影物镜中，第一双胶合透镜的凹面朝向像侧，第二双胶合透镜凸面朝向像侧，这两个双胶合透镜在投影物镜中可起到校正色差、降低光学敏感度的作用。
[0071]
优选的，第二透镜2和第四透镜4均为双凸透镜，第三透镜3的物侧面为凸面，第六透镜6的像侧面为凸面，第七透镜7的物侧面为凸面，第八透镜8为双凹透镜，第九透镜9的物侧面为凹面。
[0072]
本文中所说的“物侧至像侧”即指图2中由物方01(即前述物侧)至像方02(即前述像侧)的方向；物侧面为凸面，是指物侧面朝向投影物镜的物方01形成凸起的形状；物侧面为凹面，是指物侧面朝向物方01形成凹陷的形状；像侧面为凸面，是指像侧面朝向投影物镜的像方02形成凸起的形状；像侧面为凹面，是指像侧面朝向像方02形成凹陷的形状。
[0073]
本发明实施例中，第一透镜1组的等效焦距为f1，第二透镜2组的等效焦距为f2，其满足关系式：f2/f1＞1.5，以分散系统的光焦度，减缓各镜片所产生的像差。
[0074]
优选的，假如第二透镜2和第三透镜3这两个透镜所形成的等效焦距为f3，投影物镜的等效焦距为f，则1.4<f3/f<4.2，如此可有效平衡第一双胶合透镜产生的像差。
[0075]
第五透镜5和第六透镜6之间可设置有一光阑03，用于减少杂散光，提升影像质量，图2中一并示出。该光阑03的种类可以是孔径光阑、视场光阑(field stop)、渐晕光阑等。若第五透镜5的像侧面到光阑03中心之间的距离为d1，光阑03中心到第六透镜6的物侧面之间的距离为d2，则其满足关系式：d1>d2，如此能更好地校正像差，并使投影物镜的系统结构更加紧凑，其光学总长度不超过37mm，镜头体积较小。
[0076]
本发明实施例中，投影物镜的设计结构对光线的作用效果由物方01(弧型扫描面)至像方02方向可理解为：第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3将物方出射光中的主光线中间汇聚，再第一双胶合透镜将光线汇入光阑03，进而通过第六透镜6、第七透镜7发散光进行汇聚，再通过第八透镜8、第九透镜9进行汇聚，然后再通过第二双胶合透镜即可成像到像方02上。故弧型扫描面(即物方01)的光线经投影物镜的作用后，即可将光纤扫描器出射的弧型图像清晰的放大成像于一平面(即像方02)，请仍参考图2。
[0077]
在一种可能的实施方式中，投影物镜中第一透镜1至第十一透镜11满足以下关系式：
[0078]
2.00<f1/f<2.60，
[0079]
2.30<f2/f<2.90，
[0080]
4.60<f3/f<5.60，
[0081]
1.00<f4/f<1.20，
[0082]-0.50<f5/f<-0.40，
[0083]
1.50<f6/f<1.90，
[0084]
1.40<f7/f<1.80，
[0085]-0.45<f8/f<-0.36，
[0086]-1.00<f9/f<-0.82，
[0087]-3.23<f10/f<-2.64，
[0088]
1.86<f11/f<2.27，
[0089]
其中，f是投影物镜的等效焦距，f1为第一透镜1的焦距，f2为第二透镜2的焦距，f3为第三透镜3的焦距，f4为第四透镜4的焦距，f5为第五透镜5的焦距，f6为第六透镜6的焦距，f7为第七透镜7的焦距，f8为第八透镜8的焦距，f9为第九透镜9的焦距，f10为第十透镜10的焦距，f11为第十一透镜11的焦距。
[0090]
在另一种可能的实施例中，投影物镜中第一透镜1至第十一透镜11的焦距满足以下条件：
[0091]
7.31<f1<10.97，
[0092]
8.24<f2<12.36，
[0093]
16.46<f3<24.69，
[0094]
3.55<f4<5.33，
[0095]-2.06<f5<-1.44，
[0096]
5.37<f6<8.05，
[0097]
5.14<f7<7.71，
[0098]-1.88<f8<-1.26，
[0099]-4.37<f9<-2.92，
[0100]-14.1<f10<-9.4，
[0101]
6.61<f11<9.91，
[0102]
其中，f1～f11分别代表第一透镜1至第十一透镜11的焦距。
[0103]
进一步，在一种可能的实施方式中，投影透镜中第一透镜1至第十一透镜11的折射率满足下条件：
[0104]
1.7<n1<2.0，
[0105]
1.5<n2<1.7，
[0106]
1.5<n3<1.7，
[0107]
1.5<n4<1.7，
[0108]
1.7<n5<2.0，
[0109]
1.5<n6<1.7，
[0110]
1.7<n7<2.0，
[0111]
1.7<n8<2.0，
[0112]
1.7<n9<2.0，
[0113]
1.5<n10<1.7，
[0114]
1.7<n11<2.0，
[0115]
其中，n1～n11分别代表第一透镜1至第十一透镜11的折射率。
[0116]
本发明实施例提供的投影物镜中，透镜的材质可以是玻璃、塑料或其它材料。优选的，透镜采用玻璃，可增加屈折力配置的自由度。本文中主要以投影物镜中的透镜采用玻璃为例进行介绍，投影物镜中不同透镜可以采用具有不同折射率的玻璃。
[0117]
作为本发明的一个实施例，投影物镜整体的等效焦距为4mm，其在对扫描面(以柱面为例)进行投射成像的各透镜的曲率半径、厚度参数及折射率的优选参数如表1所示：
[0118][0119]
表1
[0120]
表1中，以投影物镜的光学总长度，即物方到第十一透镜11的像侧面之间的距离是36.5mm为例。同时，以投影物镜中各透镜均采用玻璃材质，且均为球透镜为例，球透镜的设计有利于透镜的加工；在实际应用中，也可以采用非球透镜，其相关参数或比例仍满足前述内容。透镜中曲率半径为“无限(infinity)”的光学面即指呈平面，像方对应的间距参数即指投影透镜的投影距离，该投影距离可以根据实际情况进行设置。其中，l1为物方01(弧型扫描面)到第一透镜1的物侧面的距离，l2为第一透镜1的厚度，l3为第一透镜1的像侧面12到第二透镜2的物侧面于光轴上的间隔距离；l4为第二透镜2的厚度，l5为第二透镜2的像侧面到第三透镜3的物侧面于光轴上的间隔距离；l6为第三透镜3的厚度，l7为第三透镜3的像侧面到第四透镜4的物侧面于光轴上的间隔距离；l8为第四透镜4的厚度，l9为第五透镜5的厚度，l10为第五透镜5的像侧面到光阑03于光轴上的间隔距离；l11为光阑03于光轴上与第六透镜6的物侧面的距离，l12为第六透镜6的厚度，l13为第六透镜6的像侧面到第七透镜7的物侧面于光轴上的间隔距离；l14为第七透镜7的厚度；l15为第七透镜7的像侧面到第八透镜8的物侧面于光轴上的间隔距离，l16为第八透镜8的厚度，l17为第八透镜8的像侧面到第九透镜9的物侧面于光轴上的间隔距离；l18为第九透镜9的厚度，l19为第九透镜9的像侧
面到第十透镜10的物侧面于光轴上的间隔距离；l20为第十透镜10的厚度，l21为第十一透镜11的厚度，l22为第十一透镜11的像侧面到像方02(即投影图像)的距离，表中以该距离设计为无限远为例。
[0121]
在实际扫描投影过程中，在将上述投影物镜应用于光纤扫描投影系统时，光纤出光端在快轴方向上扫描出射的光线经上述投影透镜的成像过程请参考前述图2，光纤出光端在慢轴方向上的扫描出射的光束经上述投影透镜对物方01的成像过程如图3所示，图3中以慢轴方向上的扫描轨迹为直线(即光纤出光端的扫描轨迹对应的曲率半径为“ ∞”)为例。
[0122]
经测试，在采用上述投影物镜投射扫描面对应的图像光时，其光学传递函数曲线图和畸变曲线图分别如图4a和图4b所示；其中，光学传递函数曲线图(modulation transfer function，mtf)代表一个光学系统的综合解像水平，畸变曲线图表示不同视场角情况下f-tan(theta)畸变大小值(百分比)。
[0123]
由图4a所示的投影物镜的mtf曲线可看出：中心在0.4lp/mm处mtf大于0.6，边缘0.4lp/mm处的mtf均大于0.3，全视场范围内成像分辨率良好；由图4b所示的畸变曲线可看出：投影物镜的光学系统畸变值小于3％，畸变在全视场范围内良好，故投影物镜能够对光纤扫描器的弧型扫描图像进行清晰成像，均具有较好的成像效果。
[0124]
以上所述的只是本发明的较佳具体实施例，各实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明的限制，凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有效的实验可以得到的技术方案，皆应该本发明的范围之内。
[0125]
本发明实施例中，通过对投影物镜的两个透镜组共11个共轴透镜中各透镜焦距的设置，能合理分散系统的光焦度，减缓镜片所产生的像差，实现对弧型像方的清晰成像。同时，光阑03的物侧面为第一双胶合透镜，第一双胶合透镜的像侧面为双凸透镜，物侧面为双凹透镜，可有效校正像差，通过在光阑03的像侧面加入第二双胶透镜，可进一步减小镜头的色差，提高成像质量，并使得镜头可适用于快轴扫描半径较小的光纤扫描器。
[0126]
同时，投影物镜的焦距设计到4mm，可满足较高分辨率的成像需求。
[0127]
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0128]
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0129]
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。