CN100507632C - 变焦投影镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合在各种投影仪上配套使用的变焦投影镜头，其主要特点是：该镜头的光学系统包括具有负光焦度的前固定透镜组E1、移动透镜组E2、E3、E4和后固定透镜组E5，三个透镜组沿光轴从屏幕侧向像面侧的顺序排列，其中，移动透镜组E2、E3、E4从广角端到远摄端沿光轴移动实现变焦，即该变焦投影镜头为三组移动式变焦。镜头中的透镜全部采用球面透镜，并在保证成像质量的同时，以较少数量透镜的组合、常规的光学材料构成整个系统，可大幅度降低产品成本，并能够满足大批量生产的工艺性需要。

Description

变焦投影镜头

技术领域

本发明属于光学器具技术领域，是一种适合在各种投影仪上配套使用的变焦投影镜头。

背景技术

大多数用于在胶片、幻灯片或液晶显示器上形成的影像以放大的图片投射在屏幕上的投影仪通常配置的是变焦投影镜头。在公开的变焦投影镜头的专利中，一部分专利应用了非球面技术，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增多，普遍采用12片以上，二是采用国外进口的高折射率的高挡光学材料，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，不能满足大批量生产的工艺性要求。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

本发明的目的是为了解决现有变焦投影镜头存在的不足，通过光学透镜的优选组合，在不使用非球面透镜的情况下，提供一种结构紧凑、透镜数量少、造价低、生产效率高、适合大批量生产要求的变焦投影镜头。

为达到本发明的目的所采取的方案是：该变焦投影镜头是由调焦手轮1、调焦镜2、变焦手轮3、变倍镜筒4、滚轮5、6、变焦镜筒7、8、9、导向镜筒10、后镜座11、隔圈12、压圈13和光学系统组成，其中，光学系统由具有负光焦度的前固定透镜组E1、移动透镜组E2、E3、E4和后固定透镜组E5组成，三个透镜组E5沿光轴从屏幕侧向像面侧顺序排列，移动透镜组E2、E3、E4从广角端到远摄端沿光轴移动实现变焦，即该变焦投影镜头为三组移动实现变焦，前固定透镜组的组合焦距为f1，整个光学系统在短焦位置的焦距为fw，两者的符号相反，并满足不等式：1.2<|f1/fw|<1.8。

所述各透镜组中的透镜沿光轴从屏幕侧向像面侧顺序排列，其中，前固定透镜组E1沿屏幕侧向像面方向由正透镜L1、负透镜L2、负透镜L3组成，其组合焦距为负。移动透镜组E2由一个单正透镜L4构成，焦距为正。移动透镜组E3由一个双凸正透镜L5构成，其焦距为正，并在其部位设置系统光栏。移动透镜组中的E4从屏幕侧向像面方向由弯月负透镜L6、胶合透镜L7、L8、正透镜L9组成，其组合焦距为负，其中，胶合透镜由一个火石玻璃的负透镜L7和冕玻璃的正透镜L8构成，并且冕玻璃的正透镜L8在像面一侧。后固定透镜组E5由一个单正透镜L10构成，焦距为正。

系统光栏位于双凸正透镜L5的屏幕侧，并在变焦过程中随E3透镜一起移动，其口径保持不变，从像面出射的主光线与光轴在光栏处相交。

移动透镜组E3上的双凸正透镜L5可选用低折射率低色散的冕玻璃材料制成，本发明优选QK3光学材料，能够保证整个变焦过程中的色差控制。

移动透镜组E4中的弯月负透镜L6的凹面与胶合透镜L7、L8的凹面相对，胶合透镜由一个火石玻璃材料的负透镜和冕玻璃材料的正透镜构成，并且冕玻璃的正透镜在像面一侧，这样可以保证在达到较好像差平衡的同时光线在胶合面上的入射角不至于过大而产生较大的高级像差。

移动透镜组E4中的弯月负透镜L6和胶合透镜L7、L8之间的间隔由两凹面的弧高决定，装配时直接相靠，不设隔圈，这样可以减少一个容易产生装配误差的部件，使得结构更加简单。

光学系统中的透镜总数为10片，所有透镜均为球面透镜，本发明未采用非球面透镜，因而可以降低零件的加工和装配误差，提高一次装配合格率。

光学系统总的焦距范围为由用于广角范围的约21.4mm至用于远摄范围的25.68mm，变焦比为1.2，整个焦距范围内均为远心光路。

本发明的优点在于：

1、本发明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，并能满足大批量生产的工艺性需要。

2、在提高投影质量的同时，以较少数量透镜的组合、常规的光学材料构成整个光学系统，缩小了投影镜头的总体尺寸，可大幅度降低生产成本。

3、通过三个透镜组的移动保证整个焦距范围内成像质量的一致性，并能保持较高水平的像差矫正。

4、该镜头采用像方远心设计，能够可靠的保证系统光能输出和对比度的提高。

5、本发明具有结构紧凑、调焦精确方便、投影图象清晰等优点。

附图说明

图1是本发明的变焦镜头结构示意图；

图2是本发明的变焦镜头光学系统分组结构示意图；

图3是本发明的变焦镜头的短焦光学系统图；

图4是本发明的变焦镜头的长焦光学系统图；

图5是本发明的变焦镜头在短焦的场曲线和畸变曲线图；

图6是本发明的变焦镜头在中焦的场曲线和畸变曲线图；

图7是本发明的变焦镜头在长焦的场曲线和畸变曲线图；

图8是本发明的变焦镜头在短焦的传递函数曲线图；

图9是本发明的变焦镜头在中焦的传递函数曲线图；

图10是本发明的变焦镜头在长焦的传递函数曲线图；

图11是本发明的变焦镜头在短焦的光线轨迹图；

图12是本发明的变焦镜头在长焦的光线轨迹图；

图13是本发明的变焦镜头在短焦的垂轴像差曲线图；

图14是本发明的变焦镜头在中焦的垂轴像差曲线图；

图15是本发明的变焦镜头在长焦的垂轴像差曲线图。

具体实施方式

结合图1，参看图2、图3、图4，本发明的变焦投影镜头，包括调焦手轮1、调焦镜筒2、变焦手轮3、变倍镜筒4、滚轮5、6、变焦镜筒7、8、9、导向镜筒10、后镜座11、隔圈12、压圈13和光学系统，各部构件均按常规方式组装，除光学系统外，其余构件均为公知技术，其结构不再赘述。所述光学系统采用5组10片透镜结构，系统中只采用一个胶合透镜L7、L8。该镜头对于不同距离的投影图像可通过前固定透镜组E1的前后移动进行调焦。在变焦过程中，前固定透镜组E1保持不动，而是通过移动透镜组E2、E3、E4相互之间的距离来实现变焦。整个系统的焦距符号为负—正—正—负—正型结构。

移动透镜组E2由一个单正透镜L4构成，为了使在整个变焦过程中该透镜不至于产生较大的孔径高级像差，适当加大该透镜和前固定透镜组E1的距离来减小其有效口径，从而减小其产生的孔径高级像差，一方面可以留出更多的空间供前固定透镜组E1调焦及像差补偿，便于精确变焦功能的实现，也有利于整个系统在变焦过程的性能稳定。为尽量缩小镜头的整体尺寸，应当使透镜组E2与前固定透镜组E1之间的距离设置达到最小化。

对光线具有发散作用的前固定透镜组E1将远距离的物成像在移动透镜组E2的单元物方1倍焦距到2倍焦距之间，这样有利于控制系统光栏口径在变焦过程中保持不变。在移动透镜组E4中，为了使光线不至于在胶合面上有较大的入射角，胶合透镜L7、L8选择负光焦度的火石玻璃透镜在前，同时，设置较大的折射率差来矫正系统的高级像差。本发明中优化选择了资源充裕、价格低廉、容易加工、低折射率、低色散的QK3材料来作为胶合透镜的正透镜，能够保证系统综合性能的提高。同时，为了更有利于系统场曲线的矫正，可适当增加移动透镜组E3中单正透镜L4的厚度，所用材料具有的价格低廉、比重小、透过率高的特点，也有利于本发明技术的实施。

为了能使变焦投影镜头在不同的投影距离成像清晰，分配在前固定透镜组E1的光焦度要合理，应该满足不等式：1.2<|f1/fw|<1.8。

其中，f1为前固定透镜组E1的组合焦距，fw为系统广角时的焦距，超出这个范围，多点像差就较难控制。

由于移动透镜组中的E2透镜的移动距离最长，E2的移动为线性移动，E3、E4为曲线移动。其中，透镜组E3的微量移动也可对系统的像散作进一步补偿，这样更能保证曲线的精度和成像质量的稳定。

本发明未采用渐晕补偿结构，使像差更容易矫正，前固定透镜组E1和移动透镜组E2产生的光栏彗差不大，像面均匀性能充分满足使用要求，而且更有利于像差的平衡，达到满意的成像质量。

本发明的变焦投影镜头的结构参数如下：

Surf    Type       Radius         Thickness     Glass

OBJ   STANDARD     Infinity        2330

1     STANDARD     47.25           6.9       1.6228，56.9

2     STANDARD     781.71          0.2

3     STANDARD     45.2            2         1.48746，70.14

4     STANDARD     19.03           6.60

5     STANDARD     -121            2         1.48746，70.14

6     STANDARD     17.7076   s6    ***

7     STANDARD     43.5356         3.3       1.8061，33.3

8     STANDARD     -107.34   s8    ***

STO   STANDARD     Infinity        1.8

10    STANDARD     32.12           7.7       1.48746，70.14

11    STANDARD     -32.12    s11   ***

12    STANDARD     75.719          1.8       1.7552，27.5

13    STANDARD     21.53           3.67

14    STANDARD     -13.1132        1.8       1.80518，25.5

15    STANDARD     32.4226         7.4       1.6228，56.9

16    STANDARD     -19.248         0.3

17    STANDARD     131.83          4.9       1.6228，56.9

18    STANDARD     -46.26    s18   ***

19    STANDARD     40.46           6         1.7847，26.1

20    STANDARD     -517.063        4.167

21    STANDARD     Infinity        26.395    1.5168，64.17

22    STANDARD     Infinity        4.602

IMA   STANDARD     Infinity

表1 变焦配置参数表

 

表面间隔	短焦21.4mm	中焦23.5mm	长焦25.68mm
				S6	20.78	17.67	14.99
S8	8.28	8.59	8.675
				S11	0.6	1.521	2.524
S18	0.4	2.285	3.879

表2 短焦和长焦的畸变、远心度、倍率色差明细表

表2中Distortion-W，Distortion-T为短焦和长焦的相对光学畸变；

Tele-angle-W，Tele-angle-T为短焦和长焦的远心度；

Wide-Red，Wide-Blue短焦和长焦的畸变、远心度、倍率色差明细表为短焦时长波和短波与参考光的倍率色差；

Tele-Red，Tele-Blue为长焦时长波和短波与参考光的倍率色差，Field为相对1视场的视场坐标。

图5、图6、图7分别是本发明变焦镜头在短焦、中焦、长焦的场曲线和畸变曲线图。

图8、图9、图10分别是本发明变焦镜头在短焦、中焦、长焦的传递函数曲线图。

图11、图12分别是本发明变焦镜头在短焦、长焦的光线轨迹图。

图13、图14、图15分别是本发明变焦镜头在短焦、中焦、长焦的垂轴像差曲线图。

Claims (3)

1、一种变焦投影镜头，其光学系统包括具有负光焦度的前固定透镜组E1、三组移动透镜组E2、E3、E4和后固定透镜组E5，各透镜组沿光轴从屏幕侧向像面侧的顺序排列，并通过三个移动透镜组E2、E3、E4从广角端到远摄端沿光轴移动实现变焦，所述前固定透镜组E1由正透镜[L1]、负透镜[L2]和负透镜[L3]构成，移动透镜组E3由一个双凸透镜[L5]构成，E4由弯月负透镜[L6]、胶合透镜[L7、L8]和正透镜[L9]构成，后固定透镜组E5由一个单正透镜[L10]构成，其中，前固定透镜组的组合焦距为f1，光学系统在短焦位置的焦距为fw，两者的符号相反，并且满足不等式：1.2<|f1/fw|<1.8，其特征在于：所述移动透镜组E2由一个单正透镜[L4]构成，系统光栏设置在双凸正透镜[L5]的屏幕侧，前固定透镜组E1、三个移动透镜组E2、E3、E4和后固定透镜组E5中的各透镜均为球面透镜，其透镜总数为10片。

2、权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于：所述移动透镜组E4中的弯月负透镜[L6]和胶合透镜[L7、L8]凹面相对，直接相靠。

3、根据权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于：所述胶合透镜[L7]、[L8]由一个火石材料的负透镜和冕玻璃材料的正透镜构成，并且冕玻璃材料的正透镜在像面一侧。

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