CN101887163B - 一种前组调焦定焦投影镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种前组调焦定焦投影镜头，主要用于DMD数字微镜阵列反射投影系统(DLP)，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]和正光焦度的固定组[U2]以及正光焦度的场镜[U3]组成，[U1]、[U2]、[U3]沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列。其中通过[U1]组的前后移动，实现各种不同投影距离的成像要求。该系统具有前组调焦、结构简单、镜头未段口径较小和长后工作距离等特点，镜头中的透镜全部采用球面透镜，工艺性好，适应批量生产。
Description
技术领域
本发明属于光学器具技术领域，一种适合在DLP投影仪上与非远心照明光路配套使用的前组调焦定焦投影镜头。
背景技术
DLP投影显示技术在近几年来迅速发展，其核心部件主要采用的是由美国德州仪器公司独家掌握并开发的DMD数字图像芯片。DLP投影照明光路系统主要有两大类型：全反射棱镜(TIR棱镜)远心光路系统和折反射非远心光路系统。与照明光路相匹配的投影显示镜头对应也有两种类型：像方远心成像系统和非远心成像系统。本投影镜头属于后者。
近年来，大功率LED发光芯片技术取得了迅猛发展。之前，DLP投影光机所用光源多为UHP(超高压汞灯)，其体积大，不便于携带。采用LED光源的投影机体积将极大缩小，方便随身携带。本投影镜头结构紧凑、轮廓外径小，适合用于便携式LED投影镜头。
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、在具有较长后工作距离的同时达到了满意的成像质量、适合批量生产要求的前组调焦定焦投影镜头。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：该前组调焦定焦投影镜头，具有光学系统透镜组，所述光学系统透镜组由具有负光焦度的调焦组和正光焦度的固定组以及正光焦度的场镜组成，所述调焦组U1、固定组U2和场镜U3沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列，所述调焦组U1由负透镜L1组成；所述固定组U2从屏幕侧向像面方向依次由负透镜L2、正透镜L3、正透镜L4、正透镜L5、负透镜L6、负透镜L7和正透镜L8组成，其中负透镜L7、正透镜L8组成一个双胶合透镜组，固定组U2总的焦距为正；所述场镜组U3由正透镜L9组成。
所述调焦组U1的组合焦距为f1，固定组U2的焦距为f2，应满足下列不等式：1.25＜|f1/f2|＜1.95，固定组U2和场镜U3之间的距离d(U1-U2)满足以下不等式：0.8HIMA＜d(U1-U2)＜1.25HIMA，其中HIMA是最大像面直径。
所述双胶合透镜组中的负、正透镜分别由火石玻璃和冕牌玻璃构成。
所述调焦组U1、固定组U2和场镜U3中各透镜均为球面透镜。
采用上述技术方案的有益效果：该定焦投影镜头为前组移动式调焦，包括三组光学透镜组，依次是调焦组U1，固定组U2，场镜U3，其中场镜U3与照明光路共用。照明系统光束经过位于镜组U2和U3之间的反光板将光束反射，反射后的光束经场镜U3投射到DMD上。DMD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，光束第二次经过场镜U3和固定组U2、调焦组U1将图像投射到屏幕上。对光线具有发散作用的调焦组U1将远距离的物成像在固定组U2的物方2倍焦距附近的位置，使固定组U2处于放大率为-1的位置附近，这样有利于为实现一定的投影距离范围内不至于调焦组的移动距离过长而增加系统的总长。因此，对于不同距离的投影图像可通过调焦组U1的前后移动进行调焦。在调焦过程中，固定组U2和场镜U3组到像面总的距离保持不变，固定组对光束进行矫正压缩达到缩小镜头末端口径的目的。
本发明的优点在于：
1、系统中全部采用常规玻璃透镜，有利于保证加工工艺性和装配的简便性，提高了产品成品率和生产效率，降低了产品的成本，更适应批量生产。
2、在保证成像质量的同时拥有长后工作距离，实现了较小的镜头末端轮廓口径，为在镜头末端放置照明系统的反光板等设置提供了合适的工作空间。
3、通过前端透镜组的移动保证了整个投影范围内成像质量的一致性，并能保持较高水准的像差矫正，相对整组调焦的结构而言，其结构更为紧凑。
4、本发明装置与DLP照明光路系统共用一块场镜U3，在保证照明系统的亮度和均匀性的同时，保证了成像系统的优良像质。
5、本发明装置与DMD数字图像芯片相匹配的出瞳距离保证系统，保证了照明系统的光能利用率。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
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。
图1是本发明投影镜头的结构示意图。
图2是本发明投影镜头在500mm投影距离时的光学系统图；
图3是本发明投影镜头在3000mm投影距离时的光学系统图；
图4是本发明投影镜头在500mm投影距离时的光线轨迹图；
图5是本发明投影镜头在3000mm投影距离时的光线轨迹图；
图6是本发明投影镜头在500mm投影距离时的场曲和畸变曲线图；
图7是本发明投影镜头在3000mm投影距离时的场曲和畸变曲线图；
图8是本发明投影镜头在500mm投影距离时的传递函数曲线图；
图9是本发明投影镜头在3000mm投影距离时的传递函数曲线图；
图10是本发明投影镜头在500mm投影距离时的垂轴像差曲线图；
图11是本发明投影镜头在3000mm投影距离时的垂轴像差曲线图；
图12是本发明投影镜头在500mm投影距离时的点列图；
图13是本发明投影镜头在3000mm投影距离时的点列图。
具体实施方式
结合图1，参看图2、图3，本发明前组调焦定焦投影镜头，主要部件包括调焦压圈1、调焦镜筒2、压圈3、调焦限位环4、调焦限位螺钉5、调焦限位套筒6、隔圈7、主镜筒8、隔圈9、隔圈10以及光学系统透镜组，光学系统透镜组由具有负光焦度的调焦组U1和正光焦度的固定组U2以及正光焦度的场镜U3组成，且调焦组U1、固定组U2和场镜U3沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列。其中：调焦镜筒2通过多头螺纹和主镜筒8连接在一起，其前部套装有调焦压圈1，转动调焦压圈1，可带动调焦镜筒2随之转动，实现调焦组U1的调焦功能。同时由安装在调焦镜筒2上的调焦限位环4限止其移动的最大位移。调焦限位螺钉5固定在主镜筒8上，其对调焦限位环4的位置起圆周阻挡作用。负透镜L1通过压圈组装在调焦镜筒2内，构成调焦组U1，其焦距为负；负透镜L2、正透镜L3、正透镜L4、正透镜L5、负透镜L6、负透镜L7、正透镜L8依次组装在主镜筒8内，构成固定组U2，其中负透镜L7、正透镜L8分别由火石玻璃和冕牌玻璃构成，组成一个双胶合透镜组，固定组U2总的焦距为正。场镜组U3从屏幕侧向像面方向由正透镜L9组成，场镜组的焦距为正，场镜L9为成像系统和照明系统共用透镜。这样，由正负透镜的互相搭配可以保证在不同投影距离时，调焦组前后移动带来的像差能得到充分矫正，为了保证后端的透镜口径尺寸较小，系统光栏设置在镜头的后部。否则，在满足后端透镜口径小的情况下，像差的矫正变得困难。还可以通过适当加大前端透镜的口径，使得光束的轨迹更加平滑。
本发明的前组调焦定焦投影镜头中的光学系统透镜组采用9片透镜结构，其中调焦组[U1]、固定组U2]和场镜[U3]中各正透镜由具有低色散的冕牌玻璃构成。图2是500mm投影距离时系统图，图3是3000mm投影距离时系统图，dl是500mm投影距离时时两移动组即U1与U2之间的间隔，ds是3000mm投影距离时时U1与U2之间的间隔。本发明为前组移动调焦的定焦系统，相对常规的整组移动调焦的定焦镜头来说，省去了导向筒，这样可以使得结构进一步紧凑。
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的光焦度要合理，并且满足下列不等式：1.25＜|f1/f2|＜1.95，其中f1为调焦组U1的组合焦距，f2为固定组的组合焦距，根据本发明，同时满足以下不等式来达到目的：0.8HIMA＜d(U1-U2)＜1.25HIMA，其中HIMA是最大像面直径，d(U1-U2)是固定组[U2]和场镜[U3]之间的距离。超出这个范围，镜头未端的口径不易控制，出瞳距离也不满足要求。
本发明前组调焦定焦投影镜头的归一化结构参数如下
Surf Radius Thickness nd vd
1 21.39169 0.1417522 1.5164 64.12
2 1.06376 0.3865969
3 3.1536 0.0618555 1.6032 37.93
4 0.9356675 0.2008416
5 5.448439 0.1752573 1.7552 27.52
6 -2.943291 0.6345571
7 15.10305 0.2809271 1.6385 55.49
8 -1.238553 0.01030925
9 0.7304619 0.3092775 1.7130 53.83
10 2.216489 0.02929308
11 14.33408 0.08195854 1.6477 33.88
12 0.5062357 0.1166
13 -2.772879 0.05154625 1.6477 33.88
14 0.5154625 0.2422674 1.7130 53.83
15 -1.463914 0.9536056
16 1.432986 0.3608238 1.7234 37.99
17 -21.68551 0.07731938
18 Infinity 0.05412356 1.5100 63.55
19 Infinity 0.05721634
IMA Infinity
参看图4、图5，是本发明的投影镜头在500mm投影距离时、3000mm投影距离时的光线轨迹图；图4是500mm投影距离时的光线轨迹图，图5是3000mm投影距离时的光线轨迹图。
参看图6、图7，是本发明的投影镜头在500mm投影距离时、3000mm投影距离时的场曲和畸变曲线图，图6是500mm投影距离时的场曲和畸变曲线图，图7是3000mm投影距离时的场曲和畸变曲线图。
参看图8、图9，是本发明的投影镜头在500mm投影距离时、3000mm投影距离时在46lp/mm的传递函数曲线图，图8是500mm投影距离时的传递函数曲线图，图9是3000mm投影距离时的传递函数曲线图。
参看图10、图11，是本发明的投影镜头在500mm投影距离时、3000mm投影距离时的垂轴像差曲线图，图10是500mm投影距离时的垂轴像差曲线图，图11是3000mm投影距离时的垂轴像差曲线图。
参看图12、图13，是本发明的投影镜头在500mm投影距离时、3000mm投影距离时的点列图，图12是500mm投影距离时的点列图，图13是3000mm投影距离时的点列图。
Claims (3)
1.一种前组调焦定焦投影镜头，具有光学系统透镜组，其特征在于：所述光学系统透镜组由具有负光焦度的调焦组U1和正光焦度的固定组U2以及正光焦度的场镜U3组成，所述调焦组U1、固定组U2和场镜U3沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列，所述调焦组U1由负透镜L1组成；所述固定组U2从屏幕侧向像面方向依次由负透镜L2、正透镜L3、正透镜L4、正透镜L5、负透镜L6、负透镜L7和正透镜L8组成，其中负透镜L7、正透镜L8组成一个双胶合透镜组，固定组U2总的焦距为正；所述场镜U3由正透镜L9组成；所述调焦组U1的组合焦距为f1，固定组U2的焦距为f2，应满足下列不等式：1.25＜|f1/f2|＜1.95，固定组U2和场镜U3之间的距离d(U1-U2)满足以下不等式：0.8HIMA＜d(U1-U2)＜1.25HIMA，其中HIMA是最大像面直径。
2.根据权利要求1所述的前组调焦定焦投影镜头，其特征在于：所述双胶合透镜组中的负、正透镜的材料分别为火石玻璃和冕牌玻璃。
3.根据权利要求1所述的前组调焦定焦投影镜头，其特征在于：所述调焦组U1、固定组U2和场镜U3中各透镜均为球面透镜。
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