CN100492090C

CN100492090C - Dlp变焦投影镜头

Info

Publication number: CN100492090C
Application number: CNB2007100545554A
Authority: CN
Inventors: 曹红曲; 马永珍; 王天州
Original assignee: LIDA OPTICAL AND ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: Nanyang Lida Photoelectric Co., Ltd.
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2027-06-12
Also published as: CN101149467A

Abstract

本发明涉及一种DLP变焦投影镜头，其主要特点是：镜头中的光学系统是由具有负光焦度的调焦组U1和负光焦度的变焦组U2以及正光焦度的补偿组U3组成，U1、U2、U3沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列，其中，调焦是通过U1组的沿光轴前后移动来实现，且兼具变焦功能，变焦是通过U2和U3从广角端到远摄端沿光轴相对移动来实现，即该镜头为非同步变焦系统，镜头中的透镜全部采用球面透镜，工艺性好，适应批量生产，同时还具有结构紧凑、成本低等优点。

Description

DLP变焦投影镜头

技术领域

本发明属于光学器具技术领域，是一种适合在DLP投影仪上与非远心照明光路配套使用的变焦投影镜头。

背景技术

DLP投影显示技术在近几年来发展迅速，其发展趋势为在短投影距离上实现大屏幕、高清晰度、高亮度的图像显示，它更能实现体积小，重量轻等产品特性。DLP技术中的核心部件主要采用的是DMD数字图像芯片，DMD是美国德州仪器公司独家掌握并开发的数字图像芯片，由于其面世的时间相对较短，因此与DMD技术相匹配的DLP投影成像光学系统的专利技术不多，而现有的LCD、LCOS等投影镜头采用的是远心光路系统，不能完全满足DMD数字图像芯片的配套要求，主要是由于DMD上的微型反光镜在工作时随图像数字信号会有10或12度的翻转，将来自照明光源的光束通过微反射镜的翻转反射进入投影镜头的入瞳并聚焦在屏幕上，基于这一特点，LCD、LCOS等投影镜头往往不能满足DMD数字图像芯片的配套要求。

另外在现有技术中，公开的变焦投影镜头，一部分应用了非球面技术，即在变焦投影镜头的光学系统中通过加入非球面透镜来改善系统的成像质量。但非球面透镜的应用对其加工和装配要求严格，不利于生产效率的提高和成本的降低。而在没有采用非球面透镜的技术中，为了达到较好的光学性能，其技术措施一是透镜组合的数量较多，普遍在12片以上，二是采用国外进口的高折射率的高档光学材料，例如对像差有显著改善的FCD1之类的材料，其价格昂贵、工艺性差、加工效率和成品率很低。日本专利02120574技术公开的一种变焦投影镜头中，所采用的材料就包括FCD1、LAF等高档材料，且透镜数量均在12片以上，因而也同样存在造价高、工效低等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够与DMD数字图像芯片相匹配，且结构紧凑、透镜数量少、造价低、生产效率高、适合大批量生产要求的DLP变焦投影镜头。

为达到这样的目的，本发明所提供技术方案是：该变焦投影镜头中的光学系统是由具有负光焦度的调焦组U1和负光焦度的变焦组U2以及正光焦度的补偿组U3组成；U1、U2、U3沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列，其中，调焦是通过调焦组U1沿光轴前后移动来实现，且兼具变焦功能，变焦是通过变焦组U2和补偿组U3从广角端到远摄端沿光轴相对移动来实现，即该镜头为非同步变焦系统，调焦组U1的组合焦距为f1，变焦组U2的焦距f2，两者的符号相同，并且满足下列不等式：

0.55<|f1/f2|<0.72

其中：

所述调焦组U1从屏幕侧向像面方向由负透镜L1和负透镜L2组成，其组合焦距为负。

所述变焦组U2从屏幕侧向像面方向由正透镜L3、正透镜L4、负透镜L5组成，变焦组U2总的焦距为负。

所述变焦组U2中正透镜[L4]的前表面(屏幕侧)向像面方向弯曲。

所述补偿组U3从屏幕侧向像面方向由正透镜L6、正透镜L7、负透镜L8、正透镜L9、正透镜L10组成，其中，正透镜L7、负透镜L8组成一个双胶合透镜组，双胶合透镜组中的正透镜L7由具有低色散的冕玻璃构成、负透镜L8由火石玻璃构成，负透镜L8为双凹透镜，胶合面弯向光栏，该补偿组U3总的焦距为正。

所述系统中各透镜均采用球面透镜，其透镜的总数是10片。

为充分提高像面均匀性，DLP投影镜头的出瞳距离要控制在和DMD微反射镜的反射光角度相匹配的范围内，另外，为了结构的简单及可行，DLP投影镜头的尾端的口径要尽量的小，以保证有足够的空间使得照明光路能得到有效合理的布置。当然，投影镜头的后部口径也不能太小，太小的口径一方面不能保证整个系统的F数，还可能影响到成像面的照度均匀性。

本发明的优点在于：

1、系统中未采用工艺复杂的非球面透镜，因而提高了透镜及变焦镜头的加工和装配的简易性，提高了产品成品率和生产效率，更适应批量生产。

2、在保证满意成像质量的同时，以较少数量的球面透镜组合构成整个系统，并采用常规的光学材料，降低产品成本。

3、通过各个透镜组的非同步变焦移动来保证整个焦距范围内成像质量的一致性，这样使得镜头的结构更加简单，成本更低，并保持较高水平的像差矫正，结构中又省去了后固定透镜组，因此结构更为紧凑。

4本发明设置了与DMD数字图像芯片相匹配的短出瞳距离以保证整个系统的光能输出和对比度得到显著提高。

5、本发明具有结构紧凑、调焦方便、投影图象清晰等特点。

附图说明

图1是本发明变焦镜头的结构示意图；

图2是本发明变焦镜头短焦的光学系统图；

图3是本发明变焦镜头长焦的光学系统图；

图4是本发明变焦镜头在短焦的光线轨迹图；

图5是本发明变焦镜头在长焦的光线轨迹图；

图6是本发明变焦镜头在短焦的场曲和畸变曲线图；

图7是本发明变焦镜头在长焦的场曲和畸变曲线图：

图8是本发明变焦镜头在短焦的传递函数曲线图；

图9是本发明变焦镜头在长焦的传递函数曲线图；

图10是本发明变焦镜头在短焦的垂轴像差曲线图；

图11是本发明变焦镜头在长焦的垂轴像差曲线图；

图12是本发明变焦镜头在短焦的点列图；

图13是本发明变焦镜头在长焦的点列图。

具体实施方式

参看图1，图2、图3，本发明的变焦投影镜头，主要部件包括压圈1、调焦镜筒2、调焦限位片3、导向筒4、曲线筒5、滚轮导钉6、变焦镜筒7、补偿镜筒8、隔圈9、滚轮导钉10、滚轮导钉11和光学系统的透镜L1～L10，其中，调焦镜筒2通过多头螺纹与导向筒4连接，其旋转角度大小由调焦限位片3来控制；导向筒4的外部套装有曲线筒5，通过滚轮导钉6和滚轮导钉11分别连接变焦镜筒7和补偿镜筒8，转动曲线筒5，可使各滚轮导钉分别沿各自的曲线槽运动，并带动变焦镜筒7和补偿镜筒8移动，滚轮导钉10的作用是在转动曲线筒5时保证其和导向筒4不产生轴向移动，以此保证镜头的像面稳定。本发明的DLP变焦投影镜头中的光学系统采用10片球面透镜结构，系统中只包括一个胶合透镜L7、L8，处于光栏后。该镜头采用常规的机械式补偿凸轮机构，对于不同距离的投影图像可通过调焦组U1沿光轴的前后移动调焦来实现，并通过补偿组U3沿光轴的前后移动来保证像面稳定，整个系统为负—负—正型结构。图2是短焦光学系统图，图中S4W、S10W、Lkw分别表示在短焦时调焦组U1与变焦组U2之间的间隔、变焦组U2与补偿组U3之间的间隔以及后工作距离；图3是长焦光学系统图，图中S4T、S10T、LkT分别表示在长焦时调焦组U1与变焦组U2之间的间隔、变焦组U2与补偿组U3之间的间隔以及后工作距离；可以看出，本发明为三组相对移动的变焦系统，其中，调焦组U1为非同步移动，在调焦时同时实现变焦，这样作可简化结构，降低成本。另外，光束在经过补偿组U3后不再经过常规的后固定透镜组而直接在芯片上形成实像，因此，补偿组U3的焦距必须为正，即整个系统为负—负—正型结构，这样可以使得结构进一步紧凑。

变焦镜头调焦组U1包括2个负透镜，即L1和L2，均由低折射率低色散的冕玻璃构成，它的作用是在变焦组U2的物方2倍焦距附近产生一个物体虚像。变焦组U2由3个透镜组成，即2个正透镜L3、L4和1个负透镜L5，其中透镜L4处于像差的反常区，能在利于保证成像质量的同时，使结构更加紧凑。补偿组U3由4个正透镜L6、L7、L9、L10和一个负透镜L8组成，由正负透镜的对应搭配可以保证前后移动透镜组的像差尽量能独自矫正，构成一个由全球面光学系统并达到满意成像质量的变焦镜头，使其更有利于在变焦过程中的像质稳定。为了不让后端的透镜口径太大，系统光栏设置在镜头的后部(图2、图3所示)，否则，要满足后部透镜口径小这个要求，像差的矫正变得十分困难，当然，还可以通过适当加大调焦组U1的口径，使得光束的轨迹更加平滑。

对光线具有发散作用的调焦组U1将远距离的物成像在变焦组U2的物方2倍焦距附近的位置，使变焦组U2处于放大率为—1的位置附近，有利于为实现定的变焦比不至于透镜组的移动距离过长而使整个系统体积过大。

为了能使变焦投影镜头在不同的投影距离成像清晰，分配在调焦组U1和变焦组U2的光焦度控制要合理，应该满足下列不等式：

0.85<|f1/f2|<1.15

其中，f1为调焦组U1的组合焦距，f2为变焦组的组合焦距，如果超出这个范围，其它焦距位置的像差就较难控制。

本发明变焦投影镜头的结构参数如下：

FNO 2.35

DIM M

WL 640.0 550.0 440.0

REF 2

WTW 111

XRI 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

YRI 1.07 2.3 4.1 5.8 7.2 8.1 8.9 9.6 10.2 10.7

WTF 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

VUY 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

VLY 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

SO 0.0 2000.0

S 53.101 2.0 QK3_CHINA

S 25.35 5.08846018472

THC 0

S 88.23 1.5 QK3_CHINA

S 29.0 23.023692182

THC 0

S -269.785 4.9 LAC12_HOYA

CCY 0

S -35.308 0.2

S 36.305 3.55 NBFD15_HOYA

CCY 0

S 291.07 1.39747856565

THC 0

S -59.98 1.5 FD6_HOYA

S 20.37 6.50430574425

THC 0

S 23.01 4.37 FD6_HOYA

S -235.0 10.07

S 0.0 1.11

STO

S -37.617 3.25 LAK4_CHINA

S -20.28 1.5 ZF4_CHINA

S 35.376 0.727374373326

THC 0

S 774.386 3.55 LAF2_HOYA

CCY 0

S -25.03 0.2

S 52.1 2.6 LAK7_CHINA

S -60.9 1.11

S 0.0 1.05 B1063_CORNFR

S 0.0 28.2466889501

THC 0

S 0.0 0.052

SI 0.0 0.0

ZOO 3

ZOO FNO 2.35 2.39 2.43

ZOO THI S4 23.024 19.374 16.0

ZOO THC S4 0 0 0

ZOO THI S22 28.247 28.92 29.603

ZOO THC S22 0 0 0

ZOO THI S10 6.504 6.624 6.747

ZOO THC S10 0 0 0

下表是系统在长短焦距时的垂轴色差

表中Field为相对全视场的视场坐标，R为长波与参考光的倍率色差，单位：微米，B为短波与参考光的倍率色差，单位：微米。

参看图4、图5，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦的光线轨迹图；图4是短焦的光线轨迹图，图5是长焦的光线轨迹图。

参看图6、图7，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦的场曲和畸变曲线图，图6是短焦的场曲和畸变曲线图，图7是长焦的场曲和畸变曲线图。

参看图8、图9，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦在461p/mm的传递函数曲线图，图8是短焦的传递函数曲线图，图9是长焦的传递函数曲线图。

参看图10、图11，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦的垂轴像差曲线图，图10是短焦的垂轴像差曲线图，图11是长焦的垂轴像差曲线图。

参看图12、图13，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦的点列图，图12是短焦的点列图，图13是长焦的点列图。

Claims

1、一种DLP变焦投影镜头，镜头中的光学系统是由具有负光焦度的调焦组U1和负光焦度的变焦组U2以及正光焦度的补偿组U3组成，各组沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列，其中，变焦组U2和补偿组U3从广角端到远摄端沿光轴相对移动实现变焦，调焦组U1的组合焦距为f1，变焦组U2的焦距为f2，两者的符号相同，并且满足下列不等式：0.55<|f1/f2|<0.72，其特征在于：调焦组U1、变焦组U2和补偿组U3中各透镜均为球面透镜，其透镜的总数是10片，变焦组U2从屏幕侧向像面方向由正透镜L3、正透镜L4、负透镜L5组成，变焦组U2的总焦距为负，补偿组U3从屏幕侧向像面方向由正透镜L6、正透镜L7、负透镜L8、正透镜L9、和正透镜L10组成，其总焦距为正，其中，正透镜L7和负透镜L8为双胶合透镜。

2、根据权利要求1所述的DLP变焦投影镜头，其特征在于：所述变焦组U2中正透镜L4的屏幕侧表面向像面方向弯曲。

3、根据权利要求1所述的DLP变焦投影镜头，其特征在于：所述双胶合透镜中的正透镜L7为冕玻璃透镜，负透镜L8为双凹火石玻璃透镜，胶合面弯向光阑。