CN101377561A - 投影镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种投影镜头，其从放大端到缩小端依次包括负光焦度的第一镜群及正光焦度的第二镜群，并满足条件式：－2＜F1/Fw＜－1.6；1.2＜F2/Fw＜1.4；vg2＞56。其中，F1、F2及Fw分别为第一镜群、第二镜群的有效焦距及投影镜头的最短有效焦距，vg2为第二镜群所有正光焦度镜片的阿贝数平均值。条件式：－2＜F1/Fw＜－1.6用于缩小投影镜头全长、获得足够大的视场角、控制单色像差。条件式：1.2＜F2/Fw＜1.4用于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。条件式vg2＞56用于限制投影镜头横向色差。由此，得到高成像质量、小尺寸的投影镜头。

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，DMD)、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，投影仪产品制造技术趋于成熟，促使产品制造成本及产品价格降低，投影仪产品开始进入低端消费的家庭娱乐场所。为此，业界推出具有变焦功能的投影镜头。具有变焦功能的投影镜头通常包括多个镜群，通过改变镜群间的相对位置改变投影镜头有效焦距，以适应不同的投影场合(不同的投影距离)。如，在空旷的商业场合(长投影距离)，则采用远摄倍率(投影镜头采用较长有效焦距，视场角较小)；在狭小的家庭娱乐场合(短投影距离)，则采用广角倍率(投影镜头采用较短有效焦距，视场角较大)。尽管如此，为在各种投影场合获得大画幅(Large screen)，投影镜头需具足够大的视场角(wide angle)。
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。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。
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，其从放大端到缩小端依次包括：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<F1/Fw<-1.6；
1.2<F2/Fw<1.4；
vg2>56。
其中，F1及F2分别为该第一镜群及该第二镜群的有效焦距，Fw为该投影镜头的最短有效焦距，vg2为该第二镜群所有正光焦度的镜片的阿贝数平均值。
条件式：-2<F1/Fw<-1.6用于限制该第一镜群的光焦度(1/F1)，以缩小投影镜头全长、获得足够大的视场角、控制单色像差。条件式：1.2<F2/Fw<1.4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。条件式vg2>56用于限制横向色差。
附图说明
图1为本发明实施例的投影镜头采用广角倍率时的系统构成示意图。
图2为本发明实施例的投影镜头采用远摄倍率时的系统构成示意图。
图3为本发明实施例1的投影镜头采用广角倍率时的球差(Spherical aberration)特性曲线图。
图4为本发明实施例1的投影镜头采用广角倍率时的场曲(Field curvature)特性曲线图。
图5为本发明实施例1的投影镜头采用广角倍率时的畸变特性曲线图。
图6为本发明实施例1的投影镜头采用广角倍率时的横向色差(Lateral chromaticaberration)特性曲线图。
图7为本发明实施例1的投影镜头采用远摄倍率时的球差特性曲线图。
图8为本发明实施例1的投影镜头采用远摄倍率时的场曲特性曲线图。
图9为本发明实施例1的投影镜头采用远摄倍率时的畸变特性曲线图。
图10为本发明实施例1的投影镜头采用远摄倍率时的横向色差特性曲线图。
图11为本发明实施例2的投影镜头采用广角倍率时的球差特性曲线图。
图12为本发明实施例2的投影镜头采用广角倍率时的场曲特性曲线图。
图13为本发明实施例2的投影镜头采用广角倍率时的畸变特性曲线图。
图14为本发明实施例2的投影镜头采用广角倍率时的横向色差特性曲线图。
图15为本发明实施例2的投影镜头采用远摄倍率时的球差特性曲线图。
图16为本发明实施例2的投影镜头采用远摄倍率时的场曲特性曲线图。
图17为本发明实施例2的投影镜头采用远摄倍率时的畸变特性曲线图。
图18为本发明实施例2的投影镜头采用远摄倍率时的横向色差特性曲线图。
图19为本发明实施例3的投影镜头采用广角倍率时的球差特性曲线图。
图20为本发明实施例3的投影镜头采用广角倍率时的场曲特性曲线图。
图21为本发明实施例3的投影镜头采用广角倍率时的畸变特性曲线图。
图22为本发明实施例3的投影镜头采用广角倍率时的横向色差特性曲线图。
图23为本发明实施例3的投影镜头采用远摄倍率时的球差特性曲线图。
图24为本发明实施例3的投影镜头采用远摄倍率时的场曲特性曲线图。
图25为本发明实施例3的投影镜头采用远摄倍率时的畸变特性曲线图。
图26为本发明实施例3的投影镜头采用远摄倍率时的横向色差特性曲线图。
具体实施方式
请参阅图1及图2，本发明实施例的投影镜头100从放大端到缩小端(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。第一镜群10及第二镜群20可移动(沿光轴)设置，如此，可通过改变第一镜群10与第二镜群20之间的相对位置，改变投影镜头100的有效焦距，实现变焦功能。具体地，第一镜群10朝放大端移动及第二镜群20远离放大端移动，将缩短投影镜头100的有效焦距，反之，增长投影镜头100的有效焦距。调焦时，先调整第二镜群20位置，获得理想投影距离后，固定第二镜群20，通过调整第一镜群10使投影画面变清晰。图1的第二镜群20位于远放大端位置，投影镜头100具有广角倍率。图2的第二镜群20位于近放大端位置，投影镜头100具有远摄倍率。
作为范例，本实施例的投影镜头100应用于DLP投影仪。投影时，SLM(DMD，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，DLP投影仪投影时，投影镜头100与SLM表面99间还设置有玻璃片98以保护SLM。
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<F1/Fw<-1.6；
(2)1.2<F2/Fw<1.4；
(3)vg2>56。
其中，F1及F2分别为第一镜群10及第二镜群20的有效焦距，Fw为投影镜头100的最短有效焦距，vg2为第二镜群20所有正光焦度的镜片的阿贝数平均值。
条件式(1)给出第一镜群10的光焦度(1/F1)与投影镜头100的最大光焦度(1/Fw)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/Fw较大，有利于增大视场角及缩小投影镜头全长，故限定F1/Fw>-2。考虑到F1/Fw过小，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/Fw<-1.6。另外，若不满足F1/Fw>-2，将导致投影镜头100的后焦距(第二镜群20最后一个光学面到SLM平面的距离)不足；若不满足F1/Fw<-1.6，将产生较严重的单色像差。
条件式(2)给出第二镜群20的光焦度(1/F2)与投影镜头100的最大光焦度(1/Fw)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/Fw较大，利于满足投影镜头缩小端(近SLM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/Fw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，需限定F2/Fw范围。具体地，F2/Fw>1.2有利于控制高阶像差，而F2/Fw<1.2有利于平衡第一镜群10产生的场曲，故限定1.2<F2/Fw<1.4。
条件式(3)限制第二镜群20的所有正光焦度镜片的整体阿贝数，以控制投影镜头100产生横向色差。
具体地，第一镜群10从放大端到缩小端依次包括具有正光焦度的第一镜片11、具有负光焦度的第二镜片12(新月形，近放大端为凸面)、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。
第二镜群20从放大端到缩小端依次包括具有正光焦度的第五镜片21、具有正光焦度的第六镜片22、具有负光焦度的第七镜片23、具有正光焦度的第八镜片24及具有正光焦度的第九镜片25，以合理分配第二镜群20的光焦度。
更加具体地，投影镜头100还包括一个设置于第六镜片22与第七镜片23之间的光阑97(Aperture stop)，以限制轴外光线由第七透镜23进入第六透镜22而产生较严重的畸变及场曲。另外，光阑97使得经过第七透镜23的光线更加对称，利于修正彗差(coma)。
以下结合图3至图26，以具体实施例进一步说明投影镜头100。具体实施例中，所有镜片均采用玻璃球面镜片，以降低色散及成本。
另外，约定FNo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)，F1，F2及F分别为第一镜群10、第二镜群20及投影镜头的有效焦距，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。
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F1＝-36.8239毫米(Millimeter，mm)，F2＝27.7584mm。
表1
 
表面 R(mm) D(mm) Nd vd
第一镜片放大端表面 80.25 3.411 1.744 1.6457
第一镜片缩小端表面 287.724 0.17 - -
第二镜片放大端表面 52.611 4.564 44.8504 55.7884
第二镜片缩小端表面 15.069 8.849 - -
第三镜片放大端表面 -83.909 1.5 1.5156 1.6444
第三镜片缩小端表面 24.987 4.564 - -
第四镜片放大端表面 25.01 3.269 56.8435 55.9987
第四镜片缩小端表面 50.419 D1(参表2) - -
第五镜片放大端表面 63.44 3.286 1.5186 1.6204
第五镜片缩小端表面 -76.309 0.17 - -
第六镜片放大端表面 20.649 3.413 55.7539 60.3236
第六镜片缩小端表面 74.946 7.751 - -
光阑表面 无穷大 1.069 - -
第七镜片放大端表面 -23.785 2.57 1.7552 1.6361
第七镜片缩小端表面 27.534 0.758 - -
第八镜片放大端表面 -270.785 3.711 27.5795 57.3858
第八镜片缩小端表面 -20.648 0.17 - -
第九镜片放大端表面 31.581 2.991 1.6672 1.5069
第九镜片缩小端表面 -50.572 D2(参表2) - -
玻璃片放大端表面 无穷大 1.05 52.6547 63.128269
玻璃片缩小端表面 无穷大 1.85 - -
SLM表面 无穷大 - - -
表2
 
镜头状态 F(mm) FNo 2ω D1(mm) D2(mm)
广角倍率(图1所示) 20.03 2.6 58.64° 12.30828 22.65
远摄倍率(图2所示) 23.99 2.62 49.86° 3.872033 25.67089
实施例1的投影镜头100的球差特性曲线、场曲特性曲线、畸变的特性曲线及横向色差特性曲线分别如图3至图10所示(图3-6对应广角倍率的投影镜头100，图7-10对应远摄倍率的投影镜头100)。图3、7中，三条曲线分别为波长为460纳米(Nanometer，nm)、550nm及620nm的光线经投影镜头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(400-700nm)产生的球差被控制在-0.2mm~0.2mm间。图4、8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-0.15mm~0.15mm间。图5、9中，曲线为畸变特性曲线(下同)。可见，畸变量被控制在-5％~5％间。图6、10中，两条曲线分别为波长为460nm及620nm的光线经投影镜头100的横向色差特性曲线(下同)。可见，实施例1的投影镜头100对可见光产生的横向色差被控制在-0.2微米(Micron，um)~0.2um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、畸变及横向色差却被控制(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F1＝-34.9895，F2＝26.2553mm。
表3
 
表面 R(mm) D(mm) Nd vd
第一镜片放大端表面 59.616 3.729 1.7443 65.9149
第一镜片缩小端表面 193.967 0.15 - -
第二镜片放大端表面 50.663 1.5 44.1361 1.5255
第二镜片缩小端表面 15.025 8.959 - -
第三镜片放大端表面 -95.706 1.5 1.5341 53.4969
第三镜片缩小端表面 25.238 5.165 - -
第四镜片放大端表面 24.634 3.171 1.6204 60.3236
第四镜片缩小端表面 46.23 D3(参表4) - -
第五镜片放大端表面 60.737 3.378 1.6204 1.6204
第五镜片缩小端表面 -70.331 0.15 - -
第六镜片放大端表面 20.058 3.373 60.3236 60.3236
 
第六镜片缩小端表面 68.583 7.618 - -
光阑表面 无穷大 1.043 - -
第七镜片放大端表面 -23.911 2.13 1.7552 1.6332
第七镜片缩小端表面 26.524 0.731 - -
第八镜片放大端表面 -241.965 4.271 27.5795 57.8925
第八镜片缩小端表面 -20.977 0.15 - -
第九镜片放大端表面 32.984 2.915 1.6814 1.5069
第九镜片缩小端表面 -49.181 D4(参表4) - -
玻璃片放大端表面 无穷大 1.05 50.8697 63.128269
玻璃片缩小端表面 无穷大 1.85 - -
SLM表面 无穷大 - - -
  表4
 
镜头状态 F(mm) FNo 2ω D3(mm) D4(mm)
广角倍率 19.85 2.6 59.08° 11.5163 22.65
远摄倍率 23.78 2.62 50.02° 3.8665 25.6352
实施例2的投影镜头100的球差特性曲线、场曲特性曲线、畸变的特性曲线及横向色差特性曲线分别如图11-18所示(图11-14对应广角倍率的投影镜头100，图15-18对应远摄倍率的投影镜头100)。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-0.2mm~0.2mm间；子午场曲值及弧矢场曲值被控制在-0.15mm~0.15mm间；畸变量被控制在-5％~5％间；横向色差被控制在-0.2um~0.2um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、畸变及横向色差却被控制(修正)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F1＝-35.3370mm，F2＝26.1405mm。
表5
 
表面 R(mm) D(mm) Nd vd
第一镜片放大端表面 80.25 3.411 1.7440 1.6457
第一镜片缩小端表面 287.724 0.17 - -
第二镜片放大端表面 52.611 4.564 44.8504 55.7884
第二镜片缩小端表面 15.069 8.849 - -
第三镜片放大端表面 -83.909 1.5 1.5156 1.6444
 
第三镜片缩小端表面 24.987 4.564 - -
第四镜片放大端表面 25.01 3.269 56.8435 55.9987
第四镜片缩小端表面 50.419 D5(参表6) - -
第五镜片放大端表面 63.44 3.286 1.5186 1.6204
第五镜片缩小端表面 -76.309 0.17 - -
第六镜片放大端表面 20.649 3.413 55.7539 60.3236
第六镜片缩小端表面 74.946 7.751 - -
光阑表面 无穷大 1.069 - -
第七镜片放大端表面 -23.785 2.57 1.7552 1.6361
第七镜片缩小端表面 27.534 0.758 - -
第八镜片放大端表面 -270.785 3.711 27.5795 57.3858
第八镜片缩小端表面 -20.648 0.17 - -
第九镜片放大端表面 31.581 2.991 1.6672 1.5069
第九镜片缩小端表面 -50.572 D6(参表6) - -
玻璃片放大端表面 无穷大 1.05 52.6547 63.128269
玻璃片缩小端表面 无穷大 1.85 - -
SLM表面 无穷大 - - -
表6
 
镜头状态 F(mm) FNo 2ω D5(mm) D6(mm)
广角倍率 20.36 2.6 57.82° 11.21369 22.67
远摄倍率 24.39 2.62 49.08° 3.715894 25.6951
实施例3的投影镜头100的球差特性曲线、场曲特性曲线、畸变的特性曲线及横向色差特性曲线分别如图19-26所示(图19-22对应广角倍率的投影镜头100，图23-26对应远摄倍率的投影镜头100)。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-0.2mm~0.2mm间；子午场曲值及弧矢场曲值被控制在-0.15mm~0.15mm间；畸变量被控制在-5％~5％间；横向色差被控制在-0.2um~0.2um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、畸变及横向色差却被控制(修正)在较小的范围内。
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 (6)

  1. 【权利要求1】一种投影镜头，其从放大端起依次包括：具有负光焦度的第一镜群及具有正光焦度的第二镜群；其特征在于，该投影镜头满足条件式：
    -2<F1/Fw<-1.6；1.2<F2/Fw<1.4；vg2>56；
    其中，F1及F2分别为该第一镜群及该第二镜群的有效焦距，Fw为该投影镜头的最短有效焦距，vg2为该第二镜群所有正光焦度的镜片的阿贝数平均值。
  2. 【权利要求2】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第一镜群移动设置。
  3. 【权利要求3】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第二镜群移动设置。
  4. 【权利要求4】如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，该第一镜群从放大端到缩小端依次包括具有正光焦度的第一镜片、具有负光焦度的第二镜片、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，该第二镜群从放大端到缩小端依次包括具有正光焦度的第五镜片、具有正光焦度的第六镜片、具有负光焦度的第七镜片、具有正光焦度的第八镜片及具有正光焦度的第九镜片。
  6. 【权利要求6】如权利要求5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六镜片与该第七镜片之间的光阑。
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