(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 114442203 A(43)申请公布日 2022.05.06
(21)申请号 202210005491.3(22)申请日 2022.01.04
(71)申请人 歌尔光学科技有限公司
地址 261061 山东省潍坊市高新区清池街
道永春社区惠贤路3999号歌尔光电产业园三期1号厂房(72)发明人 李贵宇
(74)专利代理机构 北京博雅睿泉专利代理事务
所(特殊普通合伙) 11442
专利代理师 周礼涛(51)Int.Cl.
G02B 3/08(2006.01)G02B 27/30(2006.01)G02B 27/10(2006.01)G03B 21/20(2006.01)
权利要求书1页 说明书6页 附图1页
(54)发明名称
菲涅尔透镜、准直镜组、光源模组及合光系统
(57)摘要
本申请公开了一种菲涅尔透镜、准直镜组、光源模组和合光系统，所述菲涅尔透镜的齿形切割面具有朝向所述菲涅尔透镜光轴的槽面，所述槽面与所述光轴之间的夹角为倾斜角，所述倾斜角的角度为10°‑25°。本申请的菲涅尔透镜，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面中朝向光轴一侧的槽面的倾斜角，将该槽面与光轴之间的倾斜角设计为10°‑25°，有效提高了准直镜组的几何光效。
CN 114442203 ACN 114442203 A
权 利 要 求 书
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1.一种菲涅尔透镜，其特征在于，所述菲涅尔透镜的齿形切割面具有朝向所述菲涅尔透镜光轴的槽面，所述槽面与所述光轴之间的夹角为倾斜角，所述倾斜角的角度为10°‑25°。
2.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述倾斜角的角度为15°‑20°。3.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述菲涅尔透镜的齿形槽深度为0.05‑0.08mm。
4.一种准直镜组，其特征在于，包括在光轴方向上依次布置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为如权利要求1‑3中任意一项的菲涅尔透镜。
5.根据权利要求4所述的准直镜组，其特征在于，所述第一透镜的第一菲涅尔面靠近所述第二透镜。
6.根据权利要求4所述的准直镜组，其特征在于，所述第二透镜的第二菲涅尔面靠近所述第三透镜。
7.根据权利要求4所述的准直镜组，其特征在于，所述第三透镜的第三菲涅尔面远离所述第二透镜。
8.根据权利要求4所述的准直镜组，其特征在于，所述第一透镜的有效焦距为3‑4mm，所述第二透镜的有效焦距为2‑3mm，所述第三透镜的有效焦距为4‑5mm。
9.根据权利要求4所述的准直镜组，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均采用塑料制作形成。
10.一种光源模组，其特征在于，包括：光源；
如权利要求4‑9中任一项所述的准直镜组，所述准直镜组位于所述光源的光路传输路径上。
11.一种合光系统，其特征在于，包括合光元件，至少一个如权利要求10所述的光源模组，所述光源模组出射的光线经合光元件合束为一束出射光。
12.一种投影装置，其特征在于，包括如权利要求11所述的合光系统、匀光系统、光阀系统、投影镜头。
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说 明 书
菲涅尔透镜、准直镜组、光源模组及合光系统
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技术领域
[0001]本申请涉及投影技术领域，更具体地，涉及一种菲涅尔透镜、准直镜组、光源模组及合光系统。
背景技术
[0002]在投影设备的合光系统中，通常采用普通透镜(例如，传统的球面或非球面透镜)对光源发出的光线进行准直。传统的球面或非球面透镜不仅几何光效一般，而且厚度较厚、重量较大，占用合光系统中较大空间，影响投影设备中其他镜组的装配。发明内容
[0003]本申请的一个目的是提供一种菲涅尔透镜的新技术方案，至少能够解决现有技术中准直透镜几何光效一般且占用空间大的问题。[0004]根据本申请的第一方面，提供了一种菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的齿形切割面具有朝向所述菲涅尔透镜光轴的槽面，所述槽面与所述光轴之间的夹角为倾斜角，所述倾斜角的角度为10°‑25°。[0005]可选地，所述倾斜角的角度为15°‑20°[0006]可选地，所述菲涅尔透镜的齿形槽深度为0.05‑0.08mm。[0007]根据本申请的第二方面，提供一种准直镜组，包括在光轴方向上依次布置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为上述实施例中的菲涅尔透镜。[0008]可选地，所述第一透镜的第一菲涅尔面靠近所述第二透镜。[0009]可选地，所述第二透镜的第二菲涅尔面靠近所述第三透镜。[0010]可选地，所述第三透镜的第三菲涅尔面远离所述第二透镜。[0011]可选地，所述第一透镜的有效焦距为3‑4mm，所述第二透镜的有效焦距为2‑3mm，所述第三透镜的有效焦距为4‑5mm。[0012]可选地，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均采用塑料制作形成。[0013]根据本申请的第三方面，提供一种光源模组，包括：光源；上述实施例中所述的准直镜组，所述准直镜组位于所述光源的光路传输路径上。[0014]根据本申请的第四方面，提供一种合光系统，包括合光元件，至少一个上述实施例中所述的光源模组，所述光源模组出射的光线经合光元件合束为一束出射光。[0015]根据本申请的第五方面，提供一种投影装置，包括上述实施例中所述的合光系统、匀光系统、光阀系统、投影镜头。
[0016]根据本发明实施例的菲涅尔透镜，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面中朝向光轴一侧的槽面的倾斜角，将该槽面与光轴之间的倾斜角设计为10°‑25°，有效提高了准直镜组的几何光效。
[0017]通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其
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优点将会变得清楚。
附图说明
[0018]被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。
[0019]图1是本发明的菲涅尔透镜的截面图；[0020]图2是本发明的合光系统的光路示意图；[0021]图3是本发明的投影装置的光路示意图。[0022]附图标记：[0023]准直镜组100；[0024]第一透镜11；第二透镜12；第三透镜13；[0025]齿形切割面20；第一菲涅尔面21；第二菲涅尔面22；第三菲涅尔面23；槽面24；[0026]二向色棱镜30；[0027]光源40；[0028]匀光系统50；[0029]聚光镜组61；半波片62；偏振分光器63；相位补偿片64；光阀系统65；投影镜头66。具体实施方式
[0030]现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。
[0031]以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。
[0032]对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。[0033]在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。[0034]应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。[0035]下面结合附图具体描述根据本发明实施例的菲涅尔透镜。[0036]参见图1，根据本发明实施例的菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的齿形切割面20具有朝向菲涅尔透镜光轴的槽面24，槽面24与光轴之间的夹角为倾斜角，倾斜角的角度为10°‑25°。[0037]换言之，根据本发明实施例的菲涅尔透镜，菲涅尔透镜能够改变光线的折射角，对大角度的光线进行修正，可以更好地对光线进行准直，保证投影装置中其他后续光学元件
提高投影装置的整体光学效率。能够更好地利用光能，
[0038]菲涅尔透镜可以理解为将普通的球面或非球面透镜在光轴方向上压缩折叠，在理想上能够等效于普通的球面或非球面透镜，同时具有更薄的尺寸和更轻的重量。[0039]菲涅尔透镜在实际生产制造过程中，齿形切割面20的锯齿结构会一定程度上造成自身几何光效的损耗，很难在减少体积、重量的同时，还能兼顾光效。
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需要说明的是，本申请菲涅尔透镜的齿形切割面20中朝向光轴的槽面24为无效区
域，齿形切割面20中背向光轴的一面为有效区域。无效区域所形成的杂散光会影响菲涅尔透镜的成像质量。[0041]为此，本申请对菲涅尔透镜的结构进行了改进。如图1所示，菲涅尔透镜的齿形切割面20为菲涅尔面，齿形切割面20具有朝向菲涅尔透镜光轴的槽面24，槽面24与光轴之间的夹角为倾斜角，倾斜角的角度θ设计为10°‑25°，能够有效减少光线的二次折射，保证菲涅尔透镜的几何光效能够达到70％以上。[0042]可选地，菲涅尔透镜的倾斜角的角度为15°‑20°。通过将槽面24与光轴之间的倾斜角设计为15°‑20°，能够进一步减少光线的二次折射，保证菲涅尔透镜的几何光效能够达到72％左右。
[0043]根据本发明的实施例，菲涅尔透镜的齿形槽深度为0.05‑0.08mm。[0044]也就是说，参见图1，菲涅尔透镜的齿形切割面20的齿形槽的深度H加工成0.05‑0.08mm。理论上齿形槽的深度越小越好，本发明通过合理设计齿形槽的深度，可选地，菲涅尔透镜的齿形切割面20的齿形槽的深度H加工成0.05mm，同时结合倾斜角θ在10°‑25°的范围，可以保证菲涅尔透镜的几何光效能够达到72％左右。[0045]总而言之，根据本发明实施例的菲涅尔透镜，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面20中朝向光轴一侧的槽面24的倾斜角，将该槽面24与光轴之间的倾斜角设计为10°‑25°，有效提高了准直镜组100的几何光效。[0046]根据本申请的第二方面，提供一种准直镜组100，包括在光轴方向上依次布置的第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13。其中，第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13均为上述实施例中的菲涅尔透镜。[0047]也就是说，如图1至图3所示，根据本发明实施例的准直镜组100主要由在光轴方向上依次布置的第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13组成。其中，第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13均为上述实施例中的菲涅尔透镜。本申请的准直镜组100可以应用在投影装置、AR光机等设备中。通过采用三个菲涅尔透镜组成的准直镜组100，能够改变光线的折射角，对大角度的光线进行修正，有利于更好地对光线进行准直，将准直镜组100的几何光效提高到72％左右，保证投影装置中其他后续光学元件能够更好地利用光能，提高投影装置的整体光学效率。
[0048]在本发明的一些具体实施方式中，第一透镜11的第一菲涅尔面21靠近第二透镜12。第二透镜12的第二菲涅尔面22靠近第三透镜13。第三透镜13的第三菲涅尔面23远离第二透镜12。
[0049]具体来说，参见图2，第一透镜11的远离第一菲涅尔面21的一侧为平面，可以保证让光线更多地进入第一透镜11。第二透镜12的第二菲涅尔面22和第三透镜13的第三菲尼尔面均布置在远离第一透镜11的一侧。第二透镜12和第三透镜13的靠近第一透镜11的一侧可以为非球面，并且该非球面可以设计成多项式非球面，例如，偶次非球面。第二透镜12和第三透镜13的非球面设计，能够改变光线的折射角，对大角度的光线进行修正，便于更好地将光线准直，有利于后续光学元件更好地利用光能，将投影装置的几何光效提高到70％以上。[0050]在本申请中，光线经过第一透镜11后射入第二透镜12的非球面一侧，并从第二透镜12的菲涅尔面一侧射出至第三透镜13的非球面一侧，最后从第三透镜13的菲涅尔面一侧
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射出，从而实现对光线的准直，提高光能利用率。通过合理布置第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13，能够更好地满足准直镜组100与投影装置中其他光学结构的布局，减少准直镜组100在投影装置中的占用空间。[0051]根据本发明的一个实施例，第一透镜11的有效焦距为3‑4mm，第二透镜12的有效焦距为2‑3mm，第三透镜13的有效焦距为4‑5mm。第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13均采用塑料制作形成。
[0052]也就是说，在本发明的准直镜组100中，通过将第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13均设置为菲涅尔透镜，使第一透镜11的有效焦距为3‑4mm，第二透镜12的有效焦距为2‑3mm，第三透镜13的有效焦距为4‑5mm。第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13均采用塑料制成，可选地，第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13可以采用环烯烃塑料制成，环烯烃塑料具有高透明度、低双折射、低吸水率以及好的模具加工性能等。具体地，第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13可以采用PMMA树脂或PC树脂加工形成。[0053]在本申请的一个具体实施例中，如图1和图2所示，第一透镜11的齿形切割面20(即菲涅尔面)的齿形槽的深度可以为0.08mm，倾斜角的角度为21.9°，有效焦距为3.69mm。第二透镜12的齿形切割面20(即菲涅尔面)的齿形槽的深度可以为0.08mm，倾斜角的角度为20°，有效焦距为2.58mm。第三透镜13的齿形切割面20(即菲涅尔面)的齿形槽的深度可以为0.08mm，倾斜角的角度为20°，有效焦距为4.97mm。
[0054]本申请通过采用三片由环烯烃塑料制成的菲涅尔透镜组成的准直镜组100，能够减少准直镜组100的厚度尺寸(在光轴方向的长度尺寸)和重量，跟采用两个普通透镜组成的准直镜组100相对比，重量减少46.1％，保证准直镜组100在光轴方向上整体长度较小，体积较小，减小准直镜组100的占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面20中朝向光轴一侧的槽面24的倾斜角，将该槽面24与光轴之间的倾斜角设计为10°‑25°，有效提高了准直镜组100的几何光效。
[0055]在本申请的准直镜组100中，当第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13均采用菲涅尔透镜时，菲涅尔透镜的倾斜角和齿形槽的深度对准直透镜几何光效的影响如下表一所示：
[0056]表一：
[0057]
[0058]
如表一所示，齿形槽的深度理论上应该越小越好，当齿形槽深度为0°时，可以达到
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理想状态下的79％。当齿形槽的深度为0.025mm，不符合菲涅尔透镜的制作性。由表一可知，当菲涅尔透镜的倾斜角为10‑20°，准直镜组100的几何光效能够达到67％以上，特别当菲涅尔透镜的倾斜角为10‑20°，齿形槽的深度为0.05mm时，菲涅尔透镜的几何光效能够达到72.2％，这与理想状态下79％的几何光效非常接近。[0059]因此，根据本发明实施例的准直镜组100，第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13均采用菲涅尔透镜，减少准直镜组100的厚度尺寸和重量，保证准直镜组100在光轴方向上整体长度较小，体积较小，减小准直镜组100的占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面20中朝向光轴一侧的槽面24的倾斜角，将该槽面24与光轴之间的倾斜角设计为10°‑25°，有效提高了准直镜组100的几何光效。[0060]根据本申请的第三方面，提供一种光源模组，包括：光源40；上述实施例中的准直镜组100，准直镜组100位于光源40的光路传输路径上。[0061]具体来说，如图2和图3所示，本发明实施例的光源模组主要由光源40和准直镜组100组成。其中，光源40用于发出光线，光源40可以采用LED(light emitting diode，发光二极管)、OLED(有机发光二极管)以及激光发生器等不同类型的能够产生不同颜色光束的元件。准直镜组100设置在光源40的光路传输路径上。通过准直镜组100对光源40发出的光线进行准直。准直镜组100为了能够接收光源40发出的大角度光，实现对光源40发出的光线进行准直。本申请通过采用三片由环烯烃塑料制成的菲涅尔透镜组成的准直镜组100，能够减少准直镜组100的厚度尺寸和重量，保证准直镜组100在光轴方向上整体长度较小，体积较小，减小光源模组的占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面20中朝向光轴一侧的槽面24的倾斜角，将该槽面24与光轴之间的倾斜角设计为10°‑20°，能够有效减少光线的二次折射，保证光源模组的几何光效能够达到72％左右。[0062]当然，在本申请的光源模组中，还可以在准直镜组100的光线传播路径上设置二向色棱镜30等光学元件，二向色棱镜30能够对光源40发出的蓝光进行反射，同时对红、绿光透过，提高光源模组的使用范围，同时也便于根据投影装置内部的空间合理布置各个不同光学元件的位置。
[0063]根据本申请的第四方面，提供一种合光系统，包括合光元件，至少一个上述实施例
光源模组出射的光线经合光元件合束为一束出射光。中的光源模组，
[0064]也就是说，合光系统主要由合光元件和光源模组组成，光源模组中光源40发出的光线经过准直镜组100准直后，传递给合光元件。合光元件能够准直镜组100准直后的不同颜色光束经的传递路径进行合并，形成一束出射光。
[0065]由于根据本发明实施例的光源模组具有上述技术效果，因此，根据本发明实施例的合光系统也应具有相应的技术效果，即在本发明实施例的合光系统中，采用三片由环烯烃塑料制成的菲涅尔透镜组成的准直镜组100，能够减少准直镜组100的厚度尺寸和重量，保证准直镜组100在光轴方向上整体长度较小，体积较小，进而减小合光系统的占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面20中朝向光轴一侧的槽面24的倾斜角，将该槽面24与光轴之间的倾斜角设计为10°‑25°，能够有效减少光线的二次折射，保证合光系统的几何光效能够达到75％‑77％左右。[0066]根据本申请的第五方面，参见图2和图3，提供一种投影装置，包括上述实施例中的合光系统、匀光系统50、光阀系统65、投影镜头66。经过合光系统后的出射光，经过匀光系统
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50后，能够输出均匀大小的光斑。光线通过匀光系统50匀光后进入光阀系统65调制成像，最后通过投影镜头66进行投影。本申请通过采用三片由环烯烃塑料制成的菲涅尔透镜组成的准直镜组100，能够减少准直镜组100的厚度尺寸和重量，保证准直镜组100在光轴方向上整体长度较小，体积较小，减小光源模组的占用空间。同时，通过优化菲涅尔透镜的齿形切割面20中朝向光轴一侧的槽面24的倾斜角，将该槽面24与光轴之间的倾斜角设计为10°‑20°，能够有效减少光线的二次折射，保证投影装置的几何光效能够达到72％左右。[0067]在本申请中，匀光系统50包括匀光元件，可以采用复眼镜片(FLYEYE)或积分器等，光线经匀光元件匀光后可以通过聚光镜组61、半波片62、偏振分光器63、相位补偿片64到达光阀系统65，该光阀系统65可以采用LCOS(硅基液晶面板)、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、DMD(数字微反射镜)或其他反射式空间光调制器。最后经过光阀系统65反射后的光线进入投影镜头66，实现投影装置的投影成像。[0068]当然，对于本领域技术人员来说，本申请的投影装置的其他结构及其原理是可以理解并且能够实现的，在本申请中需在详细赘述。
[0069]虽然已经通过例子对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。
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