CN101373259A - 投影镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种投影镜头，其从放大端至缩小端依次包括：具有负光焦度的第一镜群及具有正光焦度的第二镜群。投影镜头满足条件式：－2.5＜F1/F＜－1.5；1.3＜F2/F＜1.5。其中，F1，F2及F分别为第一镜群、第二镜群及投影镜头的有效焦距。条件式：－2.5＜F1/F＜－1.5用于限制该第一镜群的光焦度(1/F1)，以获得理想的视场角，并控制单色像差。条件式：1.3＜F2/F＜1.5用于限制该第二镜群的光焦度，以有效平衡该第一镜群产生的单色像差，并限制投影镜头全长。

Description

投影镜头
技术领域
本发明涉及投影技术，特别涉及一种投影镜头。
背景技术
当前，数字光处理(Digital Light Processing，DLP)投影仪及采用液晶光阀(Lightvalve)的液晶显示(Liquid Crystal Display，LCD)投影仪、硅晶(Liquid Crystal onSilicon，LCoS)投影仪已取代阴极射管(Cathode Ray Tube，CRT)投影仪成为市场主流产品。以往，CRT投影仪可通过电性补偿(Electrically compensation)修正投影镜头的像差，而DLP，LCD及LCoS投影仪并不具备电性补偿能力，因此，要求应用于DLP，LCD或LCoS投影仪的投影镜头具有光学修正像差的能力，以获得高质量投影画面。
另一方面，随着半导体技术的发展，DLP，LCD及LCoS投影仪采用的空间光调制器(Spatial light modulator，SLM)，包括数字微镜芯片(Digital micro-mirror device)、液晶显示面板(LCD panel)及硅晶芯片(LCoS chip)，在提高像素的同时，朝小型化方向发展，以此满足消费者对投影画面品质的要求及便携性的要求。对应地，投影镜头需提高分辨率、缩小尺寸，以配合SLM组成高投影品质、小尺寸的投影仪。
再有，投影镜头还需具有足够的视场角(Wide angle)，以在较狭小的场合(短投影距离)获得较大画幅(Large screen)。
然而，投影镜头的设计存在如下矛盾：提高分辨率，意味需采用更多的镜片或高成本的非球面玻璃镜片消除各种像差(Aberration)，投影镜头全长(投影镜头第一个光学面到SLM表面的距离)变长，成本增加。增大视场角，往往需要缩短投影镜头放大端(近屏幕端)的镜群(负光焦度)的有效焦距，提高负光焦度。然而，镜群的有效焦距较短将产生严重的单色像差，特别是畸变(Distortion)，投影镜头分辨率受影响。另外，采用非球面镜片(特别是非球面玻璃镜片)可有效修正像差，减少投影镜头所采用镜片的数量，然而，成本增加。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种高分辨率、小尺寸的投影镜头。
一种投影镜头，其从放大端至缩小端依次包括：具有负光焦度的第一镜群及具有正光焦度的第二镜群。该投影镜头满足条件式：
-2.5<F1/F<-1.5；
1.3<F2/F<1.5。
其中，F1，F2及F分别为该第一镜群、该第二镜群及该投影镜头的有效焦距。
条件式：-2.5<F1/F<-1.5用于限制该第一镜群的光焦度(1/F1)，以获得足够的视场角，并控制单色像差。条件式：1.3<F2/F<1.5用于限制该第二镜群的光焦度，以有效平衡该第一镜群产生的单色像差，并限制投影镜头全长。
附图说明
图1为本发明实施例的投影镜头的系统构成示意图。
图2为本发明实施例1的投影镜头的球差(Spherical aberration)特性曲线图。
图3为本发明实施例1的投影镜头的场曲(Field curvature)特性曲线图。
图4为本发明实施例1的投影镜头的畸变特性曲线图。
图5为本发明实施例2的投影镜头的球差特性曲线图。
图6为本发明实施例2的投影镜头的场曲特性曲线图。
图7为本发明实施例2的投影镜头的畸变特性曲线图。
图8为本发明实施例3的投影镜头的球差特性曲线图。
图9为本发明实施例3的投影镜头的场曲特性曲线图。
图10为本发明实施例3的投影镜头的畸变特性曲线图。
具体实施方式
请参阅图1(示意图，镜片参数请参具体实施例)，本发明实施例的投影镜头100从放大端至缩小端(近SLM端)依次包括具有负光焦度的第一镜群10及具有正光焦度的第二镜群20。
作为范例，本实施例的投影镜头100应用于LCoS投影仪，投影时，SLM(硅晶芯片，图未示)调制的投影信号光自SLM表面99投射入投影镜头100，依次经第二镜群20及第一镜群10，投射于屏幕(图未示)上便可得到投影画面。具体地，LCoS投影仪投影时，SLM表面99投射出的投影信号光依次经过偏振片98(Polarizer)、半波片97(Retarder)及偏振分光(PolarizingBeam Splitter，PBS)棱镜组合96后进入投影镜头100。
为得到高分辨率、小尺寸的投影镜头100，投影镜头100满足条件式：
(1)-2.5<F1/F<-1.5；
(2)1.3<F2/F<1.5。
其中，F1，F2及F分别为第一镜群10、第二镜群20及投影镜头100的有效焦距。
条件式(1)给出第一镜群10的光焦度(1/F1)与投影镜头100的光焦度(1/F)的关系，以获得理想的视场角，并控制单色像差(在第二镜群20修正的范围内)。F1/F较大，有利于增大视场角及缩小投影镜头全长，故限定F1/F>-2.5，考虑到F1/F过大，导致第一镜群10负光焦度过大，将产生严重的单色像差，特别是畸变，为将畸变控制在可修正的范围内，故另限定F1/F<-1.5。
条件式(2)给出第二镜群20的光焦度(1/F2)与投影镜头100的光焦度(1/F)的关系，以有效平衡第一镜群10产生的单色像差，并控制投影镜头全长。一方面，F2/F较大，利于满足投影镜头缩小端远心(Telecentric)成像要求(如此，屏幕可在一段距离范围内接收到清晰投影画面)，而F2/F较小，利于缩短投影镜头全长；另一方面，为有效平衡第一镜群10产生的单色像差，避免修正过度或修正不及，需限定F2/F范围，故限定1.3<F2/F<1.5。
优选地，投影镜头100满足条件式：
(3)Lb/F>1.6。
其中，Lb为投影镜头后焦距，即第二镜群20最后一个光学面到SLM表面99的距离。
关系式(3)限定后焦距Lb，以获得足够的空间设置偏振片98、半波片97及PBS棱镜组合96等LCoS投影仪组件。
更加优选地，投影镜头100还满足关系式：
(4)0.24<D12/F<0.5。
其中，D12为第一镜群10与第二镜群20的轴上间距(第一镜群10与第二镜群20相对两个表面截得的光轴长度)。
条件式(4)限定第一镜群10与第二镜群20之间空气隙的宽度，以缩短投影镜头全长，并提供足够的调焦空间(第一镜头10与第二镜头20的相对移动量)。具体地，较小的D12/F，有利于缩短投影镜头全长，故限定D12/F<0.5，为预留空间调焦，限定D12/F>0.24。
具体地，第一镜群10从放大端至缩小端依次包括具有负光焦度的第一镜片11、具有正光焦度的第二镜片12、具有负光焦度的第三镜片13及具有正光焦度的第四镜片14，以合理分配第一镜群10的光焦度。
为有效修正单色像差，优选地，第一镜群10包括至少一个非球面镜片(至少一个表面采用非球面镜)。考虑到球面镜片具有价格优势，可降低投影镜头100的成本，本实施例的第一镜群10采用一个非球面镜片。更优选地，在工作温度允许的情况下，如采用发光二极管(Light emitting diode)作为LCoS投影仪光源，本实施例的第一镜群10采用一个塑料材料制成的非球面镜片，以进一步降低投影镜头100的成本。
类似地，第二镜群20从放大端至缩小端依次包括具有正光焦度的第五镜片21、具有负光焦度的第六镜片22、具有正光焦度的第七镜片23及具有正光焦度的第八镜片24。
优选地，第二镜群20包括至少一个非球面镜，更优地，第二镜群20包括一个非球面镜。同样，在工作温度允许的情况下，第二镜群20采用一个塑料非球面镜片。
更加具体地，投影镜头100还包括一个设置于第五镜片21与第六镜片22之间的光阑95(aperture stop)，以限制轴外光线由第六透镜22进入第五透镜21而产生较严重的畸变及场曲。另外，光阑95使得经过第六透镜22的光线更加对称，利于修正彗差(coma)。
另一方面，为修正色差(chromatic aberration)，还限定第一镜群10的至少一个镜片满足关系式：
(5)vd1>55；
(6)nd>1.5；
其中，vd1及nd分别为d光(波长为587.6纳米，下同)在第一镜群10的至少一个镜片的阿贝数(abbe number)及折射率
第二镜群20的至少一镜片满足关系式：
(7)vd2>60。
其中，vd2为d光在第二镜群20的至少一个镜片的阿贝数。
以下结合图2至图10，以具体实施例进一步说明投影镜头100。
以镜片表面中心为原点，光轴为x轴，镜片表面的非球面面型表达式为：
x = ch 2 1 + 1 - ( k + 1 ) c 2 h 2 + &Sigma; A i h i
其中，c为镜面表面中心的曲率，k是二次曲面系数， h = Y 2 + Z 2 为从光轴到镜片表面的高度，∑Aihi表示对Aihi累加，i为自然数，Ai为第i阶的非球面面型系数。
另外，约定FNo为投影镜头100的光圈数，2 ω为投影镜头100的视场角，R为对应表面的曲率半径，D为对应表面到后一个表面(像侧)的轴上距离(两个表面截得光轴的长度)，Nd为对应镜片(滤光片)对d光的折射率，vd为d光在对应镜片(滤光片)的阿贝数，En表示10n(n为整数)。
实施例1
实施例1的投影镜头100满足表1及表2所列的条件，且F＝21.58毫米(millimeter，mm)，F1＝-38.85mm，F2＝30.425mm，FNo＝2.45，2 ω＝54.7°，第二镜片12及第七镜片23采用塑料非球面镜片。
表1
 
表面 R(mm) D(mm) Nd vd
第一镜片放大端表面 56.088 1.5 1.589 61.135
 
第一镜片缩小端表面 23.041 2.111 - -
第二镜片放大端表面 66.179 4.045 1.6073 26.65
第二镜片缩小端表面 -39.229 2.771 - -
第三镜片放大端表面 -79.672 1.5 1.571 50.8
第三镜片缩小端表面 13.178 3.771 - -
第四镜片放大端表面 -35.77 3.156 1.744 44.786
第四镜片缩小端表面 -24.669 5.28 - -
第五镜片放大端表面 43.254 3.481 1.589 61.135
第五镜片缩小端表面 -19.618 0.15 - -
光阑表面 无穷大 9.834 - -
第六镜片放大端表面 -25.202 1.5 1.8467 23.78
第六镜片缩小端表面 32.223 3.46 - -
第七镜片放大端表面 -49.8 7.1 1.5247 56.26
第七镜片缩小端表面 -16.129 0.246
第八镜片放大端表面 72.513 7.946 1.6968 55.53
第八镜片缩小端表面 -29.765 2.15 - -
偏振片放大端表面 无穷大 22 1.6477 33.848
偏振片缩小端表面 无穷大 2 - -
半波片放大端表面 无穷大 0.7 1.5184 61.7
半波片缩小端表面 无穷大 1 - -
PBS棱镜组合放大端表面 无穷大 0.7 1.523 58.57
PBS棱镜组合缩小端表面 无穷大 8 - -
SLM表面 无穷大 - - -
表2
 
表面 表面非球面面型参数
第二镜片放大端表面 k＝-10.97392；A4＝1.82963E-5；A6＝-9.26848E-8；A8＝5.59189E-10；A10＝-1.98742E-12
第二镜片缩小端表面 k＝-22.43766；A4＝3.49E-6；A6＝2.72E-8；A8＝7.02E-11；A10＝-7.80E-13
 
第七镜片放大端表面 k＝-79.16789；A4＝-1.08162 E-4；A6＝9.00E-07；A8＝-9.89E-9；A10＝3.47E-11
第七镜片缩小端表面 k＝0.4065924；A4＝1.07E-5；A6＝8.96E-9；A8＝2.79E-10；A10＝-2.67E-12
实施例1的投影镜头100的球差特性曲线、场曲特性曲线及畸变的特性曲线分别如图2、图3及图4所示。图2中，曲线f，d及c分别为f光(波长为486.1纳米，下同)、d光及c光(波长为656.3纳米，下同)经投影镜头100的球差特性曲线(下同)。可见，实施例1的投影镜头100对可见光(400-700纳米)产生的球差被控制在-0.1mm~0.1mm间。图3中，曲线t及s为子午场曲(Tangential field curvature)特性曲线及弧矢场曲(Sagittal field curvature)特性曲线(下同)。可见，子午场曲值及弧矢场曲值被控制在-0.1mm~0.1mm间。图4中，曲线为畸变特性曲线(下同)。可见，畸变量被控制在-2％~2％间。综前，尽管投影镜头100具有较大的视场角及较小尺寸，其产生的球差、场曲及畸变却被控制(修正)在较小的范围内。
实施例2
实施例2的投影镜头100满足表3及表4所列的条件，且F＝20.57mm，F1＝-43.378mm，F2＝29.585mm，FNo＝2.44，2 ω＝56.98°，第二镜片12及第七镜片23采用塑料非球面镜片。
表3
 
表面 R(mm) D(mm) Nd vd
第一镜片放大端表面 56.37951 1.5 1.5163 64.142
第一镜片缩小端表面 19.45174 2.784273 - -
第二镜片放大端表面 67.52031 4.063589 1.6073 26.65
第二镜片缩小端表面 -35.39937 1.838138 - -
第三镜片放大端表面 -115.634 1.5 1.5225 59.8354
第三镜片缩小端表面 12.79318 4.061006 - -
第四镜片放大端表面 -33.31014 3.632139 1.6204 60.2896
第四镜片缩小端表面 -22.97251 5.274921 - -
第五镜片放大端表面 47.65653 3.315928 1.589 61.135
第五镜片缩小端表面 -19.51972 0.15 - -
光阑表面 无穷大 8.758488 - -
第六镜片放大端表面 -24.89886 1.5 1.8467 23.78
第六镜片缩小端表面 30.70857 3.418172 - -
 
第七镜片放大端表面 -50.35514 7.1 1.5247 56.26
第七镜片缩小端表面 -15.63497 1.041066 - -
第八镜片放大端表面 84.05907 7.926621 1.6968 55.53
第八镜片缩小端表面 -28.60263 2.135659 - -
偏振片放大端表面 无穷大 22 1.6477 33.848
偏振片缩小端表面 无穷大 2 - -
半波片放大端表面 无穷大 0.7 1.5184 61.7
半波片缩小端表面 无穷大 1 - -
PBS棱镜组合放大端表面 无穷大 0.7 1.523 58.57
PBS棱镜组合缩小端表面 无穷大 8 - -
SLM表面 无穷大 - -
表4
 
表面 表面非球面面型参数
第二镜片放大端表面 k＝-10.17326；A4＝1.74E-5；A6＝-1.02E-7；A8＝6.22E-10；A10＝-2.15E-12
第二镜片缩小端表面 k＝-19.16988；A4＝1.81E-6；A6＝3.9E-8；A8＝3.7E-11；A10＝-6.46E-13
第七镜片放大端1表面 k＝-91.33926；A4＝-1.21802E-4；A6＝1.14E-6；A8＝-1.34E-8；A10＝5.7E-11
第七镜片缩小端表面 k＝0.3093345；A4＝8.74E-6；A6＝-4.76E-9；A8＝3.04E-10；A10＝-3.85E-12
实施例2的投影镜头100的球差特性曲线、场曲特性曲线及畸变的特性曲线分别如图5、图6及图7所示。可见，实施例2的投影镜头100对可见光产生的球差被控制在-0.1mm~0.1mm间，子午场曲值及弧矢场曲值被控制在-0.1mm~0.1mm间，畸变量被控制在-2％~2％间。综前，尽管投影镜头100视场角，尺寸缩小，其产生的球差、场曲及畸变却被控制在较小的范围内。
实施例3
实施例3的投影镜头100满足表5及表6所列的条件，且F＝21.2mm，F1＝-47mm，F2＝31.02mm，FNo＝2.46，2 ω＝55.57°，第一镜片11及第七镜片23采用塑料非球面镜片。
表5
 
表面 R(mm) D(mm) Nd vd
 
第一镜片放大端表面 58.051 2.41 1.5247 56.26
第一镜片缩小端表面 11.667 2.202 － －
第二镜片放大端表面 21.439 3.004 1.806 33.2694
第二镜片缩小端表面 103.82 2.701 － －
第三镜片放大端表面 -21.595 1.501 1.6175 48.0786
第三镜片缩小端表面 20.408 2.524 － －
第四镜片放大端表面 30.179 3.302 1.6742 51.7521
第四镜片缩小端表面 -51.502 6.5 － －
第五镜片放大端表面 41.495 2.383 1.6987 48.9334
第五镜片缩小端表面 -40.266 0.918 － －
光阑表面 无穷大 11.36 － －
第六镜片放大端表面 -19.698 1.5 1.8467 23.78
第六镜片缩小端表面 73.743 1.214 － －
第七镜片放大端表面 153.785 10 1.5247 56.26
第七镜片缩小端表面 -20.171 0.2 － －
第八镜片放大端表面 47.879 7.871 1.6178 60.4578
第八镜片缩小端表面 -34.109 2 － －
偏振片放大端表面 无穷大 22 1.6477 33.8482
偏振片缩小端表面 无穷大 1 － －
半波片放大端表面 无穷大 0.7 1.5184 61.7
半波片缩小端表面 无穷大 1 － －
PBS棱镜组合放大端表面 无穷大 0.7 1.523 58.57
PBS棱镜组合缩小端表面 无穷大 8.012 － －
SLM表面 无穷大 － －
表6
 
表面 表面非球面面型参数
第一镜片放大端表面 k＝2.9896；A4＝1.42E-5；A6＝-8.47E-8；A8＝3.87E-10；A10＝7.12E-13
第一镜片缩小端表面 k＝-0.8105889；A4＝2.33E-5；A6＝-5.69E-9；A8＝-1.99E-9；A10＝2.06E-11
 
第七镜片放大端表面 k＝-748.1059；A4＝2.68E-5；A6＝-1.04E-7；A8＝1.76E-09；A10＝-4.39E-12
第七镜片缩小端表面 k＝-0.4196788；A4＝1.26E-5；A6＝9.62E-8；A8＝-1.61E-10；A10＝3.23E-12
实施例3的投影镜头100的球差特性曲线、场曲特性曲线及畸变的特性曲线分别如图8、图9及图10所示。可见，实施例3的投影镜头100对可见光产生的球差被控制在-0.1mm~0.1mm间，子午场曲值及弧矢场曲值被控制在-0.1mm~0.1mm间，畸变量被控制在-2％~2％间。综前，尽管投影镜头100视场角，尺寸缩小，其产生的球差、场曲及畸变却被控制(修正)在较小的范围内。
条件式：2.5<F1/F<-1.5用于限制该第一镜群的光焦度(1/F1)，以获得足够的视场角，并控制单色像差。条件式：1.3<F2/F<1.5用于限制该第二镜群的光焦度，以有效平衡该第一镜群产生的单色像差，并限制投影镜头全长。
应该指出，上述实施例仅为本发明的较佳实施方式，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (12)

1.【权利要求1】一种投影镜头，其从放大端缩小端依次包括：具有负光焦度的第一镜群及具有正光焦度的第二镜群；该投影镜头满足条件式：-2.5<F1/F<-1.5；1.3<F2/F<1.5；其中，F1，F2及F分别为该第一镜群、该第二镜群及该投影镜头的有效焦距。
2.【权利要求2】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该投影镜头还满足条件式：Lb/F>1.6；其中，Lb为该投影镜头的后焦距。
3.【权利要求3】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该投影镜头还满足条件式：0.24<D12/F<0.5；其中，D12为该第一镜群与该第二镜群的轴上间距。
4.【权利要求4】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第一镜群从放大到缩小端依次包括：具有负光焦度的第一镜片、具有正光焦度的第二镜片、具有负光焦度的第三镜片及具有正光焦度的第四镜片。
5.【权利要求5】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第一镜群包括至少一个非球面镜片。
6.【权利要求6】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第一镜群包括至少一个塑料非球面镜片。
7.【权利要求7】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第一镜群包括至少一个镜片满足条件式：vd>55；nd>1.5；其中，vd为波长为587.6纳米的光线在该至少一个镜片的阿贝数，nd为该至少一个镜片对波长为587.6纳米的光线的折射率。
8.【权利要求8】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第二镜群从放大端至缩小端依次包括：具有正光焦度的第五镜片、具有负光焦度的第六镜片、具有正光焦度的第七镜片及具有正光焦度的第八镜片。
9.【权利要求9】如权利要求8所述的投影镜头，其特征在于，该投影镜头还包括一个设置于该第五镜片及第六镜片之间的光阑。
10.【权利要求10】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第二镜群包括至少一个非球面镜片。
11.【权利要求11】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第二镜群包括至少一个塑料非球面镜片。
12.【权利要求12】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第二镜群包括至少一个镜片满足条件式：
vd>60；
其中，vd为波长为587.6纳米的光线在该至少一个镜片的阿贝数。
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