CN101373259B - 投影镜头 - Google Patents

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：

$x=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{1-(k+1)c^2{h}^2}}+\mathrm{\Σ}{A}_i{h}^i$

其中，c为镜面表面中心的曲率，k是二次曲面系数，为从光轴到镜片表面的高度，∑A_ihⁱ表示对A_ihⁱ累加，i为自然数，A_i为第i阶的非球面面型系数。

另外，约定F_No为投影镜头100的光圈数，2ω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，F_No＝2.45，2ω＝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2

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，F_No＝2.44，2ω＝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4

表面	表面非球面面型参数
		第二镜片放大端表面	k＝-10.17326；A<sub>4</sub>＝1.74E-5；A<sub>6</sub>＝-1.02E-7；A<sub>8</sub>＝6.22E-10；A<sub>10</sub>＝-2.15E-12
第二镜片缩小端表面	k＝-19.16988；A<sub>4</sub>＝1.81E-6；A<sub>6</sub>＝3.9E-8；A<sub>8</sub>＝3.7E-11；A<sub>10</sub>＝-6.46E-13
		第七镜片放大端表面	k＝-91.33926；A<sub>4</sub>＝-1.21802E-4；A<sub>6</sub>＝1.14E-6；A<sub>8</sub>＝-1.34E-8；A<sub>10</sub>＝5.7E-11
第七镜片缩小端表面	k＝0.3093345；A<sub>4</sub>＝8.74E-6；A<sub>6</sub>＝-4.76E-9；A<sub>8</sub>＝3.04E-10；A<sub>10</sub>＝-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，F_No＝2.46，2ω＝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6

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 (10)

1.一种投影镜头，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；该第一镜群由从放大端到缩小端依次设置的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组成；该第二镜群由从放大端至缩小端依次设置的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组成；该投影镜头满足条件式：-2.5＜F1/F＜-2.1088；1.3＜F2/F＜1.4383；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.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.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.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。

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塑料非球面镜片。

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。

7.如权利要求1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。

8.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。

9.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。

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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