CN101915983B - 连续变焦投影镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续变焦投影镜头，其中：光学系统透镜组是由具有负光焦度的调焦组U1和正光焦度的变焦组U2、负光焦度的补偿组U3以及正光焦度的后固定组U4组成，且沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列，调焦是通过U1组的前后移动来实现，变焦是通过U2和U3从广角端到远摄端沿光轴同向移动来实现，在变焦过程中，从镜头第一面到像面总的距离保持不变，该投影镜头具有在较长后工作距离的像面上达到满意成像质量等特点，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

连续变焦投影镜头

技术领域

本发明属于于数字投影机技术领域，具体涉及一种应用在采用DLP技术的数字投影仪上，与TIR棱镜照明光路配合使用的连续变焦投影镜头。

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，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，这就需要采用与TIR棱镜匹配的投影镜头。

另外，此类DLP系统采用TIR棱镜，连续变焦镜头在与之匹配时需要保留较长的后工作距离，大大增加了镜头长度和轴外像差的控制难度。在现有公开的变焦投影镜头技术中，一部分应用了非球面技术，即在变焦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12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。美国专利7177090技术公开的一种连续变焦投影镜头中，所采用透镜数量达到15片，其中还有一块双面非球面透镜，因而也同样存在造价高、工效低等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够与采用TIR棱镜照明的DLP系统相匹配，且结构紧凑、性价比高、实现在较长后工作距离达到满意成像质量、适合批量生产要求的连续变焦投影镜头。

为达到这样的目的，本发明所提供的技术方案是：该连续变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]、正光焦度的变焦组[U2]、负光焦度的补偿组[U3]以及正光焦度的后固定组[U4]组成，所述调焦组[U1]、变焦组[U2]、补偿组[U3]以及后固定组[U4]沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列，其中，变焦组[U2]和补偿组[U3]从广角端到远摄端沿光轴同向移动实现变焦，在变焦过程中，从镜头第一面到像面总的距离保持不变，所述调焦组[U1]从屏幕侧向像面方向由第一负透镜[L1]、第二负透镜［L2]组成，其组合焦距为负；所述变焦组U2从屏幕侧向像面方向由第一正透镜[L3]、第二正透镜［L4]、第三正透镜[L5]组成，变焦组总的焦距为正；补偿组[U3]从屏幕侧向像面方向由第三负透镜[L6]、第四负透镜[L7]、第四正透镜[L8]以及第五正透镜[L9]组成；所述后固定组[U4]由第六正透镜[L10]组成。

所述调焦组的组合焦距为f1，补偿组的焦距f2，两者的符号相反，并且需满足下列不等式：0.2＜|f1/f2|＜0.5。

所述第四负透镜[L7]、第四正透镜[L8]组成一个双胶合透镜组，补偿组的总焦距为负。

所述双胶合透镜组中的正、负透镜分别是由重火石玻璃和重冕玻璃构成。

所述光学系统透镜组中各透镜均为球面透镜。

采用上述技术方案的有益效果：该变焦投影镜头的调焦组U1包括2个透镜，即第一负透镜L1和第二负透镜L2，变焦组U2包括3个透镜，即第一正透镜L3、第二正透镜L4及第三正透镜L5，补偿组U3包括4个透镜，即第三、第四负透镜L6、L7和第四、第五正透镜L8、L9，后固定组包含1个透镜，即第六正透镜L10。这样，由正负透镜的对应搭配可以保证前后移动透镜组的像差能充分独自矫正，也才可能构成一个仅由两组移动透镜构成并在长后工作距离达到满意成像质量的连续变焦系统，而且这种结构可以实现在变焦过程中的像质稳定。为了实现像方远心系统，系统光栏设置在镜头的中部，否则，在像差得到较好校正的情况下很难得到理想的远心度。当然，还可以通过适当加大后端透镜的口径，使得轴外像差得到较好的校正。对光线具有发散作用的调焦组U1将远距离的物成像在变焦组U2的物方2倍焦距附近的位置，使变焦组U2处于放大率为-1的位置附近，这样有利于为实现一定的变焦比不至于透镜组的移动距离过长而增加系统的总长。同时光线经过变焦组在光轴上的成像位置，就在补偿组和后固定组的组合焦点附近，这样使得镜头结构紧凑，远心度高。为了保证在有限的孔径和较长的后工作距离的前提下，实现像方远心，分配在后固定组U4的光焦度要合理，应该满足如下不等式：0.45＜|f/f4|＜0.6其中，f为镜头焦距，f4为后固定组的组合焦距，超出这个范围，其它位置的口径、像差和远心度就很难平衡。

所述双胶合透镜组中的正、负透镜分别是由重火石玻璃和重冕玻璃构成。一方面可以更有效的矫正系统的色差，另一方面利用光学级的误差来减小机械装配误差，使得系统的装配简易、公差更加宽容。

本发明的优点在于：

1、系统中采用所有透镜工艺性较好，所有透镜定心系数＞0.10，因而提高了透镜及变焦镜头的加工简易性，提高了产品成品率和生产效率，更适应批量生产。

2、在保证长后工作距离成像质量的同时，以不多于10片的球面透镜组合构成整个系统，并采用常规的光学材料，降低产品成本。

3、通过两个透镜组的移动实现变焦，通过后固定组保证像面稳定，从而实现焦距变化范围内成像质量基本一致，并能保持较高水准的像差矫正，避免因焦距变化造成像面漂移。

4、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18％以内。

5、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是本发明变焦镜头的结构示意图；

图2是本发明变焦镜头短焦的光学系统图；

图3是本发明变焦镜头长焦的光学系统图；

图4是本发明变焦镜头在短焦的光线轨迹图；

图5是本发明变焦镜头在长焦的光线轨迹图；

图6是本发明变焦镜头在短焦的场曲和畸变曲线图；

图7是本发明变焦镜头在长焦的场曲和畸变曲线图；

图8是本发明变焦镜头在短焦的传递函数曲线图；

图9是本发明变焦镜头在长焦的传递函数曲线图；

图10是本发明变焦镜头在短焦的垂轴像差曲线图；

图11是本发明变焦镜头在长焦的垂轴像差曲线图；

图12是本发明变焦镜头在短焦的点列图；

图13是本发明变焦镜头在长焦的点列图。

具体实施方式

结合图1，参看图2、图3，本发明的连续变焦投影镜头，主要部件包括镜头盖1、调焦手轮2、调焦镜筒3、变焦手轮4、导向筒5、变倍镜筒6、凸轮曲线筒7、滚轮导钉8、补偿镜筒9、固定镜筒10、滚轮导钉11、连接螺钉12、调焦限位螺钉13、连接销钉14、滚轮导钉15及光学系统透镜组。其中：调焦镜筒3通过螺纹连接在导向筒5的前端，其前部套装有调焦手轮2，通过连接螺钉12将两者连接到一起，转动调焦环2，可带动调焦镜筒3随之转动，并相对于导向筒4轴向移动，实现调焦组U1的调焦功能，同时安装在调焦镜筒3上的调焦限位螺钉13深入到导向筒5上的限位槽内，限位槽的两端面限止了调焦镜筒沿轴向移动的最大位移量。导向筒5的外部套装有凸轮曲线筒7，凸轮曲线筒7上设有用于变焦镜筒6、补偿镜筒9移动的两个曲线滑槽和一个限止凸轮曲线筒7轴向移动的等位滑槽，并通过装在导向筒5上的滚轮导钉11与等位滑槽的滑动配合实现凸轮曲线筒7的转动，同时限止凸轮曲线筒7的轴向移动。变焦手轮4通过连接销钉14联接在凸轮曲线筒7上，用于操纵凸轮曲线筒7的转动。变倍镜筒6穿装在导向筒5内部，其周侧装有与凸轮曲线筒7上的曲线滑槽滑动配合的滚轮导钉15，当凸轮曲线筒7转动时，滚轮导钉15可沿曲线滑槽滑动，并沿导向筒5上开设的限位滑槽轴向移动，同时带动变倍镜筒6移动达到变焦组U2变焦的目的。补偿镜筒9同样穿装在导向筒5内部，通过联接在补偿镜筒9上的滚轮导钉8与凸轮曲线筒7上的曲线滑槽及导向筒5上的限位滑槽实现补偿透镜组U3的补偿功能。固定镜筒10通过螺纹连接在导向筒5的后端，与导向筒5相对静止，实现后固定组U4稳定像面的功能。第一负透镜L1、第二负透镜L2通过压圈组装在调焦镜筒3内，构成调焦组U1；第一正透镜L3、第二正透镜L4、第三正透镜L5通过压圈和个圈组装在变倍镜筒6内，构成变焦组U2；第三负透镜L6、第四负透镜L7、第四正透镜L8、第五正透镜L9通过压圈组装在补偿镜筒9上，构成补偿组U3。第六正透镜L10通过压圈组装在固定镜筒10上，构成后固定组U4。

本发明的连续变焦投影镜头中的光学系统采用10片透镜结构，也可以是9片，系统中只包括一个由第四负透镜L7、第四正透镜L8构成的双胶合透镜。该镜头采用常规的机械式补偿凸轮机构，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，通过后固定组U4来保证像面稳定，整个系统为负-正-负-正型结构。图2是短焦系统图，图3是长焦系统图。本发明为两组相对移动的变焦系统，光束在经过补偿组U3后经过正焦距的后固定透镜组而直接在芯片上形成实像，因此，补偿组U3的焦距必须为负，即变焦单元为正一负型结构，这样可以使得结构进一步紧凑。

变焦镜头调焦组U1包括2个透镜，即第负透镜L1和第二负透镜L2，变焦组包括3个透镜，即第一正透镜L3、第二正透镜L4及第三正透镜L5，补偿组包括4个透镜，即2个负透镜第四负透镜L7、第四正透镜L8和2个正透镜第四正透镜[L8]、第五正透镜[L9]，后固定组包含1个透镜，即第六正透镜L10。这样，由正负透镜的对应搭配可以保证前后移动透镜组的像差能充分独自矫正，也才可能构成一个仅由两组移动透镜构成并在长后工作距离达到满意成像质量的连续变焦系统，而且这种结构可以实现在变焦过程中的像质稳定。为了实现像方远心系统，系统光栏设置在镜头的中部，否则，在像差得到较好校正的情况下很难得到理想的远心度。当然，还可以通过适当加大后端透镜的口径，使得轴外像差得到较好的校正。

为了保证在有限的孔径和较长的后工作距离的前提下，实现像方远心，分配在后固定组U4的光焦度要合理，应该满足如下不等式：

0.45＜|f/f4|＜0.6

其中，f为镜头焦距，f4为后固定组的组合焦距，超出这个范围，其它位置的口径、像差和远心度就很难平衡。

本发明变焦投影镜头的结构参数如下

参看图4、图5，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦的光线轨迹图；图4是短焦的光线轨迹图，图5是长焦的光线轨迹图。

参看图6、图7，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦的场曲和畸变曲线图，图6是短焦的场曲和畸变曲线图，图7是长焦的场曲和畸变曲线图。

参看图8、图9，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦在46lp/mm的传递函数曲线图，图8是短焦的传递函数曲线图，图9是长焦的传递函数曲线图。

参看图10、图11，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦的垂轴像差曲线图，图10是短焦的垂轴像差曲线图，图11是长焦的垂轴像差曲线图。

参看图12、图13，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦的点列图，图12是短焦的点列图，图13是长焦的点列图。

Claims (5)

1.一种连续变焦投影镜头，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]、正光焦度的变焦组[U2]、负光焦度的补偿组[U3]以及正光焦度的后固定组[U4]组成，所述调焦组[U1]、变焦组[U2]、补偿组[U3]以及后固定组[U4]沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列，其中，变焦组[U2]和补偿组[U3]从广角端到远摄端沿光轴同向移动实现变焦，在变焦过程中，从镜头第一面到像面总的距离保持不变，所述调焦组[U1]从屏幕侧向像面方向由第一负透镜[L1]、第二负透镜[L2]组成，其组合焦距为负；所述变焦组[U2]从屏幕侧向像面方向由第一正透镜[L3]、第二正透镜[L4]、第三正透镜[L5]组成，变焦组总的焦距为正；补偿组[U3]从屏幕侧向像面方向由第三负透镜[L6]、第四负透镜[L7]、第四正透镜[L8]以及第五正透镜[L9]组成；所述后固定组[U4]由第六正透镜[L10]组成。

2.根据权利要求1所述的连续变焦投影镜头，其特征在于：调焦组的组合焦距为f1，补偿组的焦距f2，两者的符号相反，并且需满足下列不等式：0.2＜|f1/f2|＜0.5。

3.根据权利要求1所述的连续变焦投影镜头，其特征在于：所述第四负透镜[L7]、第四正透镜[L8]组成一个双胶合透镜组，补偿组的总焦距为负。

4.根据权利要求3所述的连续变焦投影镜头，其特征在于：所述双胶合透镜组中的正、负透镜分别是由重火石玻璃和重冕玻璃构成。

5.根据权利要求1所述的连续变焦投影镜头，其特征在于：所述光学系统透镜组中各透镜均为球面透镜。 

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