CN101915980A - 像方远心定焦投影镜头 - Google Patents

Abstract

一种像方远心定焦投影镜头，具有光学系统透镜组，其中：所述光学系统透镜组由发散透镜[L1]、汇聚透镜[L2]及像差校正组[U]构成，所述发散透镜[L1]、汇聚透镜[L2]、像差校正组[U]沿光轴从屏幕侧向像平面侧的方向顺序排列；所述像差校正组[U]从屏幕侧向像面方向顺序由正透镜[L3]、负透镜[L4]、正透镜[L5]，负透镜[L6]、正透镜[L7]、正透镜[L8]组成。与现有技术相比，具有在较长后工作距离的像面上实现满意成像质量的特点，适合在各种LCD、LCOS及DLP等具有像方远心光路系统中应用，整个系统中的透镜全部采用球面玻璃透镜，工艺性好，材料价格低廉，结构简单，适应大批量生产的要求。

Description

像方远心定焦投影镜头

技术领域

本发明属于数字投影机技术领域，具体涉及一种应用于各种LCD、LCOS及DLP等具有像方远心光路系统的数字投影仪上，与TIR、PBS等棱镜照明光路配合使用的像方远心定焦投影镜头。

背景技术

随着半导体技术的发展和深入，数字投影显示技术得到了发展的春天，以DLP、LCOS、LCD等技术为主的投影显示产业得到了迅速发展。近几年，特别是DLP投影显示技术凭借其丰富的色彩、高清晰的画面、高亮度的图像及高对比度的显示得到迅速发展，它可以实现体积更小，重量更轻的产品特性，特别是在电影院数字放映领域，其优势无可比拟。DLP技术中的核心部件主要采用的是DMD数字图像芯片，DMD是美国德州仪器公司独家掌握并开发的数字图像芯片，它是由很多矩阵排列的数字微反射镜组成，工作时微型反光镜随图像数字信号会有10度、12度或14度的翻转，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成像在屏幕上。为匹配DMD芯片的入射角度，提高投影显示画面的均匀性，合理布局投影设备部件，照明系统多采用TIR棱镜，因此，DLP系统根据不同产品方案分远心照明系统和非远心照明系统。这就需要采用与TIR棱镜匹配的不同类型的投影镜头。

对于LCOS及LCD投影光学系统，它们有一个共同的特点就是需要远心光束照明成像芯片，当然也就需要像方远心光路的投影镜头与之相匹配，这样可更好的保证像面照度均匀性。

另外，由于DLP、LCOS或LCD系统均会采用TIR或PBS棱镜来实现有效的照明，因此，投影镜头在与之匹配时需要保留较长的后工作距离，这大大增加了镜头长度和轴外像差的控制难度。在现有一些公开的投影镜头技术中，一部分应用了非球面技术，即在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或简化系统结构，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，其技术措施一般是增加透镜的数量，普遍在10片以上，或是采用国外进口的高折射率的高档光学材料，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。

发明内容

为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种能够与远心照明系统相匹配，结构简单紧凑、性价比高、实现在较长后工作距离达到满意的成像质量，同时可根据实际结构要求而选择不同调焦方式的适合大批量生产的低成本像方远心定焦投影镜头。

为达到这样的目的，本发明所提供的技术方案是：该像方远心定焦投影镜头，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发散透镜L1、汇聚透镜L2及正光焦度的像差校正组U构成，所述发散透镜L1、汇聚透镜L2、像差校正组U沿光轴从屏幕侧向像平面侧的方向顺序排列；所述像差校正组U从屏幕侧向像面方向顺序由正透镜L3、负透镜L4、正透镜L5，负透镜L6、正透镜L7、正透镜L8组成。

所述正透镜L3、负透镜L4组合构成胶合透镜J1；负透镜L6、正透镜L7组合构成胶合透镜J2。

所述发散透镜L1的焦距为f1，汇聚透镜L2的焦距为f2，像差校正组[U]的焦距为fu，三者满足下列不等式：1.86＜|f1/f2|＜2.43 1.42＜|f2/fu|＜1.68，系统光栏置于像差校正组U的屏幕一侧。

所述像差校正组U的组合焦距fu为正，像差校正组U中的正透镜L5为向屏幕侧方向弯曲的正弯月透镜，其焦距为f5，两者需满足下列不等式：2.1＜|f5/fu|＜4.6。

所述发散透镜L1的材料为低色散的冕牌玻璃，其焦距为负。

所述正透镜L3、负透镜L4分别为冕牌玻璃材料的双凸透镜与火石玻璃材料的双凹透镜。

所述光学系统透镜组各透镜均为球面透镜。

采用上述技术方案的有益效果：该像方远心定焦投影镜头具有光学系统透镜组，光学系统透镜组由具有负光焦度的发散透镜、汇聚透镜及正光焦度的像差校正组构成。首先，用一个负透镜作为整个系统的前端部分，即采用准反远摄光学系统方案，可以更有效地保证系统的长后工作距离的要求，对光线具有发散作用的第一片透镜将远距离的物成像在汇聚透镜的物方2倍焦距附近的位置，使汇聚透镜处于放大率为-1的位置附近，这样的方案有利于由第一片发散透镜对不同距离的调焦的可能性的实现，同时使得镜头结构紧凑，调焦移动距离小；具有负光焦度的发散透镜将大视场光线折射后使得后续光学系统不会承担过大的视场高级像差的校正压力。为了能同时保证满足成像质量的优良和通过第一片发散透镜调焦的可能性，该透镜光焦度的分配要满足一定的范围，发散透镜的焦距为f1，汇聚透镜的焦距为f2，像差校正组的焦距为fu，三者满足下列不等式：1.86＜|f1/f2|＜2.43 1.42＜|f2/fu|＜1.68，如果超出了这个范围，系统优化将很难同时保证成像质量的优良和通过第一片发散透镜对不同投影距离调焦清晰的实现。通过第一片发散透镜对各个视场的光束发散后，使得光线的投射高度增加，孔径高级像差将会增大，由此配置一个具有高折射率材料的汇聚透镜对光束进行汇聚，进入系统的光栏，一方面可以适当减小孔径高级像差所带来的影响，同时也更能保证像面均匀性的提高。对于像差校正组[U]，将系统的光栏设置在其屏幕一侧方向，对系统的综合像差进行校正；正透镜[L3]、负透镜[L4]组合构成的胶合透镜[J1]放在光栏附近位置主要对系统的轴向色产进行校正，为了不使得进入像差校正组的光束的入射角增大，将胶合透镜[J1]中的双凸形状的正透镜[L3]置于系统光栏一侧，使得进入像差校正组[U]的轴外光束的入射角大大的减小，从而减小了高级像差的影响；由于像差校正组[U]结构的不对称性，会带来轴外像差如像散和畸变的难于控制，因此，向屏幕侧弯曲的正透镜[L5]对该类像差进行像差补偿。对于正透镜[L5]，需要满足下列关系：2.1＜|f5/fu|＜4.6其中，f5为正透镜[L5]的焦距，fu为像差校正组的焦距。由于透镜[L4]与透镜[L5]为凹面相对，为了使得结构简单和装配精度的提高，其结构为端面相靠，这样会进一步提高系统的稳定性和宽容性。像差校正组中的负透镜[L6]、正透镜[L7]组合构成的胶合透镜[J2]在该系统中由于工作于汇聚光束中，根据这样的物象关系，需要将火石玻璃负透镜[L6]放在屏幕一侧的方向，这样，在校正系统的综合像差时不至于胶合面的半径过小，保证透镜的加工工艺性进一步提高。

本发明具体的优点在于：

1、光学系统透镜组中透镜工艺性好，所有透镜定心系数均大于0.16，提高了透镜的加工简易性及产品成品率，适应大批量生产的要求。

2、在保证长后工作距离成像质量的同时，以较少数量的球面透镜组合构成整个光学系统，并采用最常规的普通光学材料，大大降低了产品材料成本。

3、光学系统透镜组除了可通过整组光学系统沿光轴的前后移动实现不同距离的调焦外，也可仅仅通过第一片发散透镜沿光轴的前后移动实现不同距离的清晰成像，满足不同结构的调焦要求。

4、在采用通过第一片发散透镜沿光轴的前后移动的调焦时，由于调焦组只是一片单一的透镜，且移动距离小，因此，不至于由于调焦组的重力影响导致系统光轴的偏离，这样镜头的可靠性更高。

5、本发明实现了较好的像面照度均匀性，中心视场和边缘视场的相对照度差异控制在13％以内。

6、本发明具有结构紧凑、调焦方便、通用性好、成像清晰等特点。

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是本发明像方远心定焦投影镜头的光学系统图；

图2是本发明像方远心定焦投影镜头的光线轨迹图；

图3是本发明像方远心定焦投影镜头的传递函数曲线图；

图4是本发明像方远心定焦投影镜头的场曲和畸变曲线图；

图5是本发明像方远心定焦投影镜头的垂轴色差曲线图

图6是本发明像方远心定焦投影镜头的垂轴像差曲线图；

图7是本发明像方远心定焦投影镜头的点列图。

具体实施方式

如图1所示的像方远心定焦投影镜头，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发散透镜L1、汇聚透镜L2及正光焦度的像差校正组U构成，所述发散透镜L1、汇聚透镜L2、像差校正组U沿光轴从屏幕侧向像平面侧的方向顺序排列。所述像差校正组U从屏幕侧向像面方向顺序由正透镜L3、负透镜L4、正透镜L5，负透镜L6、正透镜L7、正透镜L8组成，其中，正透镜L3、负透镜L4组合构成胶合透镜J1，正透镜L3、负透镜L4分别为冕牌玻璃材料的双凸透镜与火石玻璃材料的双凹透镜；负透镜L6、正透镜L7组合构成胶合透镜J2，像差校正组U的组合焦距fu为正，像差校正组U中的正透镜L5为向屏幕侧方向弯曲的正弯月透镜，其焦距为f5，两者需满足下列不等式：2.1＜|f5/fu|＜4.6。发散透镜L1的材料为低色散的冕牌玻璃，其的焦距为f1，焦距f1为负，汇聚透镜L2的焦距为f2，像差校正组U的焦距为fu，三者满足下列不等式：1.86＜|f1/f2|＜2.43 1.42＜|f2/fu|＜1.68，系统光栏置于像差校正组U的屏幕一侧。所述光学系统透镜组各透镜均为球面透镜，透镜总数共计为8片，投影镜头采用像面远心结构。

下表为本发明低成本的像方远心定焦投影镜头的结构参数表

Surf     Type          Radius    Thickness      nd         vd

1        STANDARD       93.33         4.82      1.487490， 70.4

2        STANDARD      34.944        24.02

3        STANDARD      45.783         5.88      1.772500， 49.6

4        STANDARD        -583        22.91

STO      STANDARD    Infinity          0.3

6        STANDARD      27.428         4.51      1.638540， 55.5

7        STANDARD      -18.88            0

8        STANDARD      -18.88         2.38      1.603420，   38

9        STANDARD      15.688         3.09

10       STANDARD     -24.099         5.71      1.638540， 55.5

11       STANDARD      -18.03         2.04

12       STANDARD     -12.537         3.83      1.603420，   38

13       STANDARD       57.81         9.48      1.638540 ，55.5

14       STANDARD      -20.89         0.31

15       STANDARD        43.5         6.72      1.638540， 55.5

16       STANDARD         -90            2

17       STANDARD    Infinity           30      1.516800，64.17

18       STANDARD    Infinity            6

19       STANDARD    Infinity            3      1.487490，70.41

20       STANDARD    Infinity          0.5

IMA      STANDARD    Infinity

从上表可以看出，光学系统透镜组采用玻璃材料的种类很少，其中有4片材料为ZK11，两片F5材料，价格及其低廉，且工艺性能很好。

整个系统的性能参数为：

GENERAL LENS DATA：

Surfaces                  21

Stop                      5

System Aperture           Image Space F/#＝2.37

Effective Focal Length    39.75434(in image space)

Back Focal Length         0.4070012

Total Track               137.5

Image Space F/#           2.37

Paraxial Working F/#      2.371148

Working F/#               2.390257

Image Space NA            0.2063309

0bject Space NA           0.000642691

Stop Radius               7.113761

Paraxial Image Height     10.403

Paraxial Magnification    -0.003047832

Entrance Pupil Diameter   16.77398

Entrance Pupil Position   49.79798

Exit Pupil Diameter       105.548

Exit Pupil Position       -250.2417

Field Type                Paraxial Image height in Millimeters

Maximum Field             10.403

Primary Wave              0.55

Lens Units                Millimeters

Angular Magnification     0.1589228

CARDINAL POINTS：         Object Space    Image Space

W＝0.550000(Primary)

Focal Length              -39.754337      39.754337

Focal Planes              43.480109       -0.092999

Principal Planes          83.234445       -39.847336

Anti-Principal Planes     3.725772        39.661338

Nodal Planes              83.234445       -39.847336

Anti-Nodal Planes         3.725772        39.661338

从图2像方远心定焦投影镜头的光线轨迹图、图3像方远心定焦投影镜头的传递函数曲线图、图4像方远心定焦投影镜头的场曲和畸变曲线图、图5像方远心定焦投影镜头的垂轴色差曲线图、图6像方远心定焦投影镜头的垂轴像差曲线图、图7像方远心定焦投影镜头的点列图，可以看出本发明像方远心定焦投影镜头通用性好、成像清晰，可靠性高。

Claims (7)

1.一种像方远心定焦投影镜头，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发散透镜[L1]、汇聚透镜[L2]及正光焦度的像差校正组[U]构成，所述发散透镜[L1]、汇聚透镜[L2]、像差校正组[U]沿光轴从屏幕侧向像平面侧的方向顺序排列；所述像差校正组[U]从屏幕侧向像面方向顺序由正透镜[L3]、负透镜[L4]、正透镜[L5]，负透镜[L6]、正透镜[L7]、正透镜[L8]组成。

2.根据权利要求1所述的像方远心定焦投影镜头，其特征在于：正透镜[L3]、负透镜[L4]组合构成胶合透镜[J1]；负透镜[L6]、正透镜[L7]组合构成胶合透镜[J2]。

3.根据权利要求1所述的像方远心定焦投影镜头，其特征在于：发散透镜[L1]的焦距为f1，汇聚透镜[L2]的焦距为f2，像差校正组[U]的焦距为fu，三者满足下列不等式：1.86＜|f1/f2|＜2.431.42＜|f2/fu|＜1.68，系统光栏置于像差校正组[U]的屏幕一侧。

4.根据权利要求1所述的像方远心定焦投影镜头，其特征在于：像差校正组[U]的组合焦距fu为正，像差校正组[U]中的正透镜[L5]为向屏幕侧方向弯曲的正弯月透镜，其焦距为f5，两者需满足下列不等式：2.1＜|f5/fu|＜4.6。

5.根据权利要求1所述的像方远心定焦投影镜头，其特征在于：所述发散透镜[L1]的材料为低色散的冕牌玻璃，其焦距为负。

6.根据权利要求1所述的像方远心定焦投影镜头，其特征在于：所述正透镜[L3]、负透镜[L4]分别为冕牌玻璃材料的双凸透镜与火石玻璃材料的双凹透镜。

7.根据权利要求1所述的像方远心定焦投影镜头，其特征在于：所述光学系统透镜组各透镜均为球面透镜。

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