CN102129120A - 投影镜头 - Google Patents
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Abstract
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。该投影镜头在广角端有足够的视场角度,在望远端具有一定的成像大小,投射出的画面像差平衡,且总长也较小。由此,得到高成像质量、小尺寸的投影镜头。
Description
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(Flectrically 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),如数字微镜芯片(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,以满足不同场合的投影要求。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(wideangle)。
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成像表面的距离)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,并满足条件式:
(1)-2<Φ1/Φ2<-0.5;
(2)-2<EFL1/EFL(W)<-1.5;
(3)1.5<EFL2/EFL(W)<1.75;
(4)-1.2<EFL1/EFL(T)<-1;
(5)0.8<EFL2/EFL(T)<1.2;
(6)0.5<EFL(W)/BFL(W)<0.6;
(7)0.68<EFL(T)/BFL(T)<0.75;
(8)6.2<TTL(W)/EFL(W)<6.5;
(9)3.5<TTL(T)/EFL(T)<3.6。
其中,Φ1,Φ2分别为该投影镜头第一镜群、第二镜群的光焦度,EFL(W),EFL(T)为该投影镜头在广角端和望远端的有效焦距,EFL1,EFL2分别为该投影镜头第一镜群、第二光群组的有效焦距,TTL(W),TTL(T)分别为该投影镜头在广角端和望远端的光学总长,BFL(W),BFL(T)分别为该投影镜头在广角端和望远端的后焦距。
条件式(1)保证了投影镜头100的光学倍率。条件式(2)及条件式(3)保证投影镜头在广角端有足够的视场角度。条件式(4)及条件式(5)保证投影镜头在望远端具有一定的成像大小。条件式(6)及条件式(7)保证了投影镜头像差的平衡。条件式(8)及条件式(9)限制了投影镜头100的总长。由此,得到高成像质量、小尺寸的投影镜头。
附图说明
图1为本发明实施方式的投影镜头处于广角倍率时的示意图。
图2为本发明实施方式的投影镜头处于远摄倍率时的示意图。
图3为本发明实施方式1的投影镜头处于广角倍率时的球差(Spherical aberration)特性曲线图。
图4为本发明实施方式1的投影镜头处于广角倍率时的场曲(Field curvature)特性曲线图。
图5为本发明实施方式1的投影镜头处于广角倍率时的畸变特性曲线图。
图6为本发明实施方式1的投影镜头处于广角倍率时的横向色差(Lateral chromaticaberration)特性曲线图。
图7为本发明实施方式1的投影镜头处于远摄倍率时的球差特性曲线图。
图8为本发明实施方式1的投影镜头处于远摄倍率时的场曲特性曲线图。
图9为本发明实施方式1的投影镜头处于远摄倍率时的畸变特性曲线图。
图10为本发明实施方式1的投影镜头处于远摄倍率时的横向色差特性曲线图。
图11为本发明实施方式2的投影镜头处于广角倍率时的球差特性曲线图。
图12为本发明实施方式2的投影镜头处于广角倍率时的场曲特性曲线图。
图13为本发明实施方式2的投影镜头处于广角倍率时的畸变特性曲线图。
图14为本发明实施方式2的投影镜头处于广角倍率时的横向色差特性曲线图。
图15为本发明实施方式2的投影镜头处于远摄倍率时的球差特性曲线图。
图16为本发明实施方式2的投影镜头处于远摄倍率时的场曲特性曲线图。
图17为本发明实施方式2的投影镜头处于远摄倍率时的畸变特性曲线图。
图18为本发明实施方式2的投影镜头处于远摄倍率时的横向色差特性曲线图。
图19为本发明实施方式3的投影镜头处于广角倍率时的球差特性曲线图。
图20为本发明实施方式3的投影镜头处于广角倍率时的场曲特性曲线图。
图21为本发明实施方式3的投影镜头处于广角倍率时的畸变特性曲线图。
图22为本发明实施方式3的投影镜头处于广角倍率时的横向色差特性曲线图。
图23为本发明实施方式3的投影镜头处于远摄倍率时的球差特性曲线图。
图24为本发明实施方式3的投影镜头处于远摄倍率时的场曲特性曲线图。
图25为本发明实施方式3的投影镜头处于远摄倍率时的畸变特性曲线图。
图26为本发明实施方式3的投影镜头处于远摄倍率时的横向色差特性曲线图。
主要元件符号说明
投影镜头 100
第一镜群 10
第二镜群 20
表面 99
玻璃片 98
第一镜片 11
第二镜片 12
第三镜片 13
第四镜片 14
第五镜片 21
第六镜片 22
第七镜片 23
第八镜片 24
第九镜片 25
第十镜片 26
第十一镜片 27
具体实施方式
请参阅图1及图2,本发明实施方式的投影镜头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,本实施方式的投影镜头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<Φ1/Φ2<-0.5;
(2)-2<EFL1/EFL(W)<-1.5;
(3)1.5<EFL2/EFL(W)<1.75;
(4)-1.2<EFL1/EFL(T)<-1;
(5)0.8<EFL2/EFL(T)<1.2;
(6)0.5<EFL(W)/BFL(W)<0.6;
(7)0.68<EFL(T)/BFL(T)<0.75;
(8)6.2<TTL(W)/EFL(W)<6.5;
(9)3.5<TTL(T)/EFL(T)<3.6;
其中,Φ1,Φ2分别为投影镜头第一镜群10、第二镜群20的光焦度,EFL(W),EFL(T)为投影镜头在广角端和望远端的有效焦距,EFL1,EFL2分别为投影镜头第一镜群10、第二光群组20的有效焦距,TTL(W),TTL(T)分别为投影镜头在广角端和望远端的光学总长,BFL(W),BFL(T)分别为投影镜头在广角端和望远端的后焦距。
条件式(1)保证了投影镜头100的光学倍率。条件式(2)及条件式(3)保证投影镜头在广角端有足够的视场角度。条件式(4)及条件式(5)保证投影镜头在望远端具有一定的成像大小。条件式(6)及条件式(7)保证了投影镜头像差的平衡。条件式(8)及条件式(9)限制了投影镜头100的总长。
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及具有负光焦度的第九镜片25,具有正光焦度的第十镜片26及具有正光焦度的第十一镜片27,以合理分配第二镜群20的光焦度。其中,第八镜片24及第九镜片25组成胶和镜片。
更加具体地,投影镜头100还包括一个设置于第八镜片24上的光圈孔。光圈孔位于第八镜片24靠近第七镜片23的一侧上。
以下结合图3至图26,以具体实施方式进一步说明投影镜头100。具体实施方式中,所有镜片均采用玻璃球面镜片,以降低色散及成本。
另外,设定FNo为投影镜头100的光圈数,R为镜片对应表面的曲率半径,D为镜片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为对应镜片对d光的折射率,Vd为d光在对应镜片的阿贝数。
实施方式1
实施方式1的投影镜头100满足表1所列的条件,且满足以下参数条件:EFL(W)=15.9毫米(Millimeter,mm),EFL(T)=25.44mm,FNo=2.6(W)~3.4(T)(表示光圈数在广角端等于2.6,在远望端等于3.4),EFL1=-28.88mm,EFL2=25.67mm,Φ1=-0.035,Φ2=0.039,BFL(W)=27.16mm,BFL(T)=35.84mm,TTI(W)=100mm,TTI(T)=91.25mm。
由此,可得到:Φ1/Φ2=-0.88,EFL1/EFL(W)=-1.82,EFL2/EFL(W)=1.61,EFL1/EFL(T)=-1.14,EFL2/EFL(T)=1.00,EFL(W)/BFL(W)=0.585,EFL(T)/BFL(T)=0.70,TTI(W)/EFL(W)=6.28,TTI(T)/EFL(T)=3.59。
表1
表面 | R(mm) | D(mm) | Nd | Vd |
投影画面 | 1700 | |||
第一镜片放大端表面 | 59.35138 | 6.61506 | 1.487489 | 70.44113 |
第一镜片缩小端表面 | 389.1105 | 0.1 | ||
第二镜片放大端表面 | 33.00573 | 1.4 | 1.834807 | 43.71367 |
第二镜片缩小端表面 | 16.68746 | 7.522747 | ||
第三镜片放大端表面 | 8414.742 | 1.4 | 1.834807 | 42.71367 |
第三镜片缩小端表面 | 22.17334 | 7.227141 | ||
第四镜片放大端表面 | 29.10951 | 3.224321 | 1.805181 | 25.45642 |
第四镜片缩小端表面 | 61.82606 | 20.33(W)~2.9(T) | ||
第五镜片放大端表面 | 134.7065 | 2.945785 | 1.834807 | 42.71367 |
第五镜片缩小端表面 | -48.1397 | 0.1 | ||
第六镜片放大端表面 | 22.05425 | 2.349194 | 1.834 | 37.34505 |
第六镜片缩小端表面 | 36.56741 | 3.343024 | ||
第七镜片放大端表面 | -27.681 | 5.910529 | 1.71736 | 29.5005 |
第七镜片缩小端表面 | -42.0079 | 1.651311 | ||
第八镜片放大端表面 | 33.66178 | 2.385555 | 1.66672 | 48.29731 |
第九镜片放大端表面 | -33.6618 | 1.4 | 1.846663 | 23.78481 |
第九镜片缩小端表面 | 21.55219 | 1.003401 | ||
第十镜片放大端表面 | -110.303 | 1.78602 | 1.834807 | 42.71367 |
第十镜片缩小端表面 | -36.7997 | 0.1 | ||
第十一镜片放大端表面 | -992.391 | 2.042137 | 1.834807 | 42.71367 |
第十一镜片缩小端表面 | -34.8115 | 25(W)~33.68(T) |
玻璃片放大端表面 | 无穷大 | 1.05 | 1.5068 | 63.35 |
玻璃片缩小端表面 | 无穷大 | 1.11 | ||
SLM表面 | 无穷大 |
实施方式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,实施方式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-0.2mm~0.2mm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-2.5%~2.5%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,实施方式1的投影镜头100对可见光产生的横向色差被控制在-7微米(Micron,um)~7um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。
实施方式2
实施方式2的投影镜头100满足表2所列的条件,且满足以下参数条件:EFL(W)=16mm,EFL(T)=25.6mm,FNo=2.64(W)~3.44(T),EFL1=-28.43mm,EFL2=26.53mm,Φ1=-0.035,Φ2=0.037,BFL(W)=27.16mm,BFL(T)=36.28mm,TTI(W)=100mm,TTI(T)=91.44mm。
由此,可得到:Φ1/Φ2=-0.93,EFL1/EFL(W)=-1.78,EFL2/EFL(W)=1.66,EFL1/EFL(T)=-1.11,EFL2/EFL(T)=1.04,EFL(W)/BFL(W)=0.59,EFL(T)/BFL(T)=0.71,TTI(W)/EFL(W)=6.25,TTI(T)/EFL(T)=3.57。
表2
实施方式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,实施方式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-0.2mm~0.2mm间;畸变量被控制在-2.5%~2.5%间;横向色差被控制在-7um~7um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。
实施方式3
实施方式3的投影镜头100满足表3所列的条件,且满足以下参数条件:EFL(W)=15.9mm,EFL(T)=25.44mm,FNo=2.42(W)~3.05(T),EFL1=-28.89mm,EFL2=25.67mm,Φ1=-0.063,Φ2=0.039,BFL(w)=27.16mm,BFL(T)=35.84mm,TTI(W)=100mm,TTI(T)=91.25mm。
由此,可得到:Φ1/Φ2=-1.6,EFL1/EFL(W)=-1.82,EFL2/EFL(W)=1.61,EFL1/EFL(T)=-1.14,EFL2/EFL(T)=1.01,EFL(W)/BFL(W)=0.585,EFL(T)/BFL(T)=0.709,TTI(W)/EFL(w)=6.29,TTI(T)/EFL(T)=3.59。
表3
表面 | R(mm) | D(mm) | Nd | Vd |
投影画面 | 1700 | |||
第一镜片放大端表面 | 62.13122 | 6.61506 | 1.496999 | 81.54589 |
第一镜片缩小端表面 | 416.8309 | 0.1 | ||
第二镜片放大端表面 | 31.41843 | 1.4 | 1.834807 | 42.71367 |
第二镜片缩小端表面 | 16.35052 | 7.522747 | ||
第三镜片放大端表面 | -1595.621 | 1.4 | 1.834807 | 42.71367 |
第三镜片缩小端表面 | 22.45833 | 7.227141 | ||
第四镜片放大端表面 | 29.05183 | 3.224321 | 1.805181 | 25.45642 |
第四镜片缩小端表面 | 61.69639 | 20.33(W)~2.9(T) | ||
第五镜片放大端表面 | 127.0945 | 2.945785 | 1.834807 | 42.71367 |
第五镜片缩小端表面 | -49.31761 | -49.31761 | ||
第六镜片放大端表面 | 21.98249 | 2.349194 | 1.834 | 37.34505 |
第六镜片缩小端表面 | 36.48197 | 3.343024 | ||
第七镜片放大端表面 | -27.82465 | 5.910529 | 1.71736 | 29.5005 |
第七镜片缩小端表面 | -42.33013 | 1.651311 | ||
第八镜片放大端表面 | 34.3971 | 2.385555 | 1.66672 | 48.29731 |
第九镜片放大端表面 | -34.3971 | 1.4 | 1.846663 | 23.78481 |
第九镜片缩小端表面 | 21.61163 | 1.003401 | ||
第十镜片放大端表面 | -102.2005 | 1.78602 | 1.834807 | 42.71367 |
第十镜片缩小端表面 | -35.74867 | 0.1 | ||
第十一镜片放大端表面 | 2181.171 | 2.042137 | 1.834807 | 42.71367 |
第十一镜片缩小端表面 | -36.47281 | 25(W)~33.679(T) | ||
玻璃片放大端表面 | 无穷大 | 1.05 | 1.5068 | 63.35 |
玻璃片缩小端表面 | 无穷大 | 1.11 | ||
SLM表面 | 无穷大 |
实施方式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,实施方式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-0.2mm~0.2mm间;畸变量被控制在-2.5%~2.5%间;横向色差被控制在-6um~6um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,上述实施方式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)
1.一种投影镜头,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;其特征在于,该投影镜头满足条件式:
(1)-2<Φ1/Φ2<-0.5;
(2)-2<EFL1/EFL(W)<-1.5;
(3)1.5<EFL2/EFL(W)<1.75;
(4)-1.2<EFL1/EFL(T)<-1;
(5)0.8<EFL2/EFL(T)<1.2;
(6)0.5<EFL(W)/BFL(W)<0.6;
(7)0.68<EFL(T)/BFL(T)<0.75;
(8)6.2<TTL(W)/EFL(W)<6.5;
(9)3.5<TTL(T)/EFL(T)<3.6;
其中,Φ1,Φ2分别为投影镜头第一镜群、第二镜群的光焦度,EFL(W),EFL(T)为投影镜头在广角端和望远端的有效焦距,EFL1,EFL2分别为投影镜头第一镜群、第二光群组的有效焦距,TTL(W),TTL(T)分别为投影镜头在广角端和望远端的光学总长,BFL(W),BFL(T)分别为投影镜头在广角端和望远端的后焦距。
2.如权利要求1所述的投影镜头,其特征在于,该第一镜群沿所述投影镜头的光轴可移动设置。
3.如权利要求1所述的投影镜头,其特征在于,该第二镜群沿所述投影镜头的光轴可移动设置。
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;该第一镜群具有负光焦度。
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、具有负光焦度的第九镜片、具有正光焦度的第十镜片及具有正光焦度的第十一镜片;该第八镜片及第九镜片组成胶和镜片。
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八镜片靠近第七镜片的一侧上的光圈孔。
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