CN102621672A - 一种高投射比投影物镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高投射比投影物镜，该高投射比投影物镜具有正光焦度的第一镜组、具有正光焦度的第二镜组、光阑及显示芯片，第一镜组包括第一、第二子镜组，第一子镜组具有负光焦度，靠近投影屏幕面，第二子镜组具有正光焦度，靠近光阑面，第一、第二子镜组组成反摄远式结构，第二镜组包括第三、第四子镜组，第三子镜组具有负光焦度，靠近光阑面，第四子镜组具有正光焦度，靠近显示芯片。根据本发明的高投射比物镜具有高投射比优点同时，也具有高相对照度、超低畸变、结构紧凑简单、公差适中、工艺性良好、像方远心等一系列优点。

Description

一种高投射比投影物镜

技术领域

本发明涉及一种高投射比投影物镜，尤其是具有高解像力、超低畸变、像面远心、结构紧凑的高投射比投影物镜。

背景技术

投影设备在现代文化、商业、娱乐活动中扮演着日益重要的角色，消费者普遍希望投影设备能在有限的空间内投射出大尺寸、高画质、小图形畸变和高亮度的画面，因此，作为投影设备中的核心部件光学投影镜头，向高投射比发展是必然的。投射比即为投影距离与投影画面的对角线尺寸的比值，投射比越高，表明镜头在有限的空间内投影的画面尺寸越大，显然投射比与镜头的视场角可以等效，所以高投射比的镜头在传统镜头中的分类应该是属于广角、超广角和鱼眼类型镜头。

高投射比投影物镜是从照相机广角、超广角、鱼眼等类型镜头发展过来的，高投射比继承了这些类型镜头大视场角的优点，同时也继承了其固有的缺点：像方非远心、相对照度低、畸变较大、镜头片数较多、结构复杂，公差严格、工艺适应性差、长度过长等。例如专利CN101414049所述的高投射比投影镜头，虽然实现100度至120度的大视场角，但明显有以下缺陷：像方非远心，造成光源利用效率低和照度不均匀；使用多达15片透镜，使得结构复杂成本高昂；镜头长度（不包含像距）为150mm，与镜头有效焦距8.3mm比值为18.1过高，说明镜头长度过长；非球面镜片工艺性差，非球面镜片在通光口径处的表面法线与光轴夹角超过60度，使得该非球面难以测量和制造，且塑料非球面位于第一片位置容易导致划伤；公差要求严格，该镜头在第三、四片之间，第五、六片之间，第十、十一片之间光线偏折角都过大，导致这些镜片之间偏心都要求十分严格，整个镜头的工艺适应性比较差。

发明内容

基于改善以上所述目前高投射比投影物镜都会有的缺点，一种用于投影设备的高投射比投影物镜，包含具有正光焦度的第一镜组、具有正光焦度的第二镜组、光阑及显示芯片，其特征在于: 第一镜组包括第一、第二子镜组，第一子镜组具有负光焦度，靠近投影屏幕面，第二子镜组具有正光焦度，靠近光阑面，第一、第二子镜组组成反摄远式结构；第二镜组包括第三、第四子镜组，第三子镜组具有负光焦度靠近光阑面，第四子镜组具有正光焦度，靠近显示芯片。

上述的一种用于投影设备的高投射比投影镜组的投射比为0.5。

上述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜的第一镜组光焦度为Φ₁，第二镜组光焦度为Φ₂，0.35<Φ₁/Φ₂<0.55。

上述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜的投射比为T，总光焦度为Φ，总长度（不含像距）为L，他们之间满足以下关系：15<T*Φ*L<18。

上述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜的第一子镜组的光焦度Φ₁₁，第二子镜组光焦度Φ₁₂，2<|Φ₁₁/Φ₁₂|<4。

上述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜的第一子镜组由三片负光焦度弯月型镜片组成，其中第一片或第二片为非球面镜片，第一片和第二片镜片的表面定点曲率半径球心都位于显示芯片一侧，第一片镜片光焦度的绝对值小于第二片镜片光焦度的绝对值，第二片镜片光焦度的绝对值小于第三片镜片光焦度的绝对值。

上述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜的第二子镜组由两片正光焦度镜片组成，靠近投影屏幕面的镜片的两个表面球心位于投影屏幕一侧，靠近显示芯片的镜片的两个表面球心位于显示芯片一侧。

上述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜的光阑位于第一镜组与第二镜组之间，光阑与第一镜组最后一片镜片的后表面的距离为L₁，光阑与第二镜组第一片镜片的前表面的距离为L₂， 0.3<L₂/L₁<0.9。

上述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜的第三子镜组由一片正光焦度镜片和两片负光焦度镜片组成的三胶合透镜组，正光焦度镜片位于两片负光焦度镜片之间。

上述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜的第四子镜组由三片正光焦度镜片组成，靠近投影屏幕面的镜片的光焦度要比其他两片镜片都大。

上述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜的第一子镜组材料选择为冕牌玻璃；第二子镜组材料选择为火石玻璃；第三子镜组中，两片负光焦度镜片材料为火石材料玻璃，正光焦度镜片材料为冕牌玻璃；第四子镜组材料选择为冕牌玻璃。

根据本发明的高投射比投影物镜，其在具有高投射比优点同时，也具有高相对照度、超低畸变、结构紧凑简单、公差适中、工艺性良好、像方远心等一系列优点。

附图说明

图1是根据本发明的高投射比投影物镜的光学结构图。如图1所示，本发明的高投射比投影物镜包含以下部分：具有正光焦度的第一镜组110；光阑(STOP)300；具有正光焦度的第二镜组200；显示芯片400。

上述高投射比投影物镜投射比为T，总光焦度为Φ，总长度（不含像距）为L，第一镜组100光焦度为Φ₁，第二镜组200光焦度为Φ₂.它们之间应满足判据1。

判据1：0.35<Φ₁/Φ₂<0.55。

判据2：15<T*Φ*L<18。

判据1合理的分配第一镜组100和第二镜组200的光焦度，目的在于使得光焦度在两组镜组间尽量分配均匀，各镜组中的镜片光焦度均匀分担才变得可能，从而为镜头良好的公差性和工艺性奠定基础。数据表明，大多数公差严格的高投射比投影镜头光阑300前组与后组光焦度比值都小于0.35。

判据2表明高投射比投影镜头合理的长度与总光焦度和投射比有关，即合理的镜头长度是焦距与投射比倒数的乘积的15倍到18倍之间，如果镜头长度小于焦距与投射比倒数的乘积的15倍，那么镜头将变得难以设计和制造，如果镜头长度大于焦距与投射比倒数的乘积的18倍，使得投影设备体积过大。

第一镜组100为反摄式结构，包含具有负光焦度的第一子镜组110和正光焦度的第二子镜组120。第一子镜组110的光焦度Φ₁₁和第二子镜组120光焦度Φ₁₂满足判据3。

判据3：2<|Φ₁₁/Φ₁₂|<4 。

第一子镜组110的光焦度如果太大，不能满足判据3的右则判据，则会导致第一片镜片111口径过大，弯曲程度剧烈，甚至于无法加工第一片镜片111。如果第一子镜组110光焦度过小，不满足判据3的左则判据，则会导致镜头的视场角缩小，难以实现高投射比。所以判据3是平衡投射比和镜头工艺性的根据。

第一子镜组110中的第一镜片111为非球面镜片，其主要作用是校正畸变，高投射比镜头的畸变一般都比较严重，所以该非球面要具有很强的校正畸变能力。第一镜片111两个表面的顶点曲率半径球心都位于显示芯片400一侧。同样，两个表面的顶点曲率半径球心也都位于显示芯片400一侧。第一子镜组110包含三片负光焦度的透镜，其光焦度分别为Φ₁₁₁、Φ₁₁₂、Φ₁₁₃，为了使非球面即保持良好的校正畸变能力又具有良好的工艺性，以上所诉的三片镜片的光焦度应满足判据4。

判据4：Φ₁₁₁:Φ₁₁₂:Φ₁₁₃≈1:1.3:1.8。

判据4看出，第一子镜组110的三个镜片的光焦度由屏幕面向显示芯片400逐渐变大，因此第一镜片111的光焦度最小。目的是控制第一镜片111的口径和非球面的光焦度。如果非球面光焦度权重加大，则校正畸变变得很容易，但是会出现非球面镜片在通光口径处的表面法线与光轴夹角超过60度的情况，即非球面边缘通光孔径角过大，使得非球面无法测量，生产该非球面将变得十分困难。第二镜片112和第三镜片113的光焦度比第一镜片111大，且逐渐变大，有利于控制第一镜片111口径，改善投影物镜的整体体积大小。

第二子镜组120包含正光焦度的第四镜片121和第五镜片122，第四镜片121与第五镜片122的光焦度分别为Φ₁₂₁、Φ₁₂₂，满足判据5。

判据5：0.2<Φ₁₂₁/Φ₁₂₂<0.4。

镜片121与122光焦度分配如果不满足判据5左侧，则投影物镜的球差和轴外像差将会变大。如果不满足判据5左侧，投影物镜的长度将会增加，第四镜片121的两个表面球心在屏幕面一侧，镜片122的第一个表面球心必须在显示芯片400一侧。

光阑300位于第一镜组100与第二镜组200之间，与第一镜组100最后的第五镜片122后表面的距离为L₁，与第二镜组200的第六镜片211前表明的距离为L₂，L₁、L₂满足判据6。

判据6：0.3<L₂/L₁<0.9。

判据6表征了光阑300位置最佳的条件。当不满足判据6左侧，第二镜组200将会对公差十分敏感，无法达到较好的工艺适应性。当不满足判据6右侧，投影物镜的轴外像差将变得严重。

第二镜组200包含第三子镜组210和第四子镜组220。第三子镜组210是由三片镜片胶合一起的胶合镜组，分别为具有负光焦度的第六镜片211、正光焦度的第七镜片212、负光焦度的第8镜片213。胶合镜组210主要作用是消除轴向色差与垂轴色差。

第四子镜组220包含第9镜片221、第十镜片222和第十一镜片223，其作用是聚焦光束并形成远心光路，为了使得第二镜组200具有良好的公差，第九镜片221光焦度应大于第十镜片222和第十一镜片223的光焦度。

本发明所述的高投射比投影物镜，各镜片的材料安排如下：第一片非球面镜片111使用属冕牌性质的塑料材料，以亚力克（PMMA）为佳，第二镜片112、第三镜片113材料使用冕牌玻璃，第四片镜片121、第五片镜片122材料使用火石玻璃，第四镜片121材料的折射率至少不比第五镜片122材料折射率低，第六镜片211为火石玻璃，第七镜片212为冕牌玻璃，第八镜片213为火石玻璃。其中第六镜片211、第七镜片212采用镧系玻璃为佳，第七镜片212应采用阿贝数高于65的冕牌玻璃，尤其以超低色散玻璃材料为最佳，第九镜片221、第十片镜片222和第十一片镜片223都采用冕牌玻璃，212应采用阿贝数高于65的冕牌玻璃为佳。

表1是根据本发明的高投射比投影物镜在下列条件下的各数据，波长：462nm-625nm，投射比：0.5，全视场角：107°，有效焦距：5.98mm，像高：7.9mm，像方F/#：2.3 。

表1

第一片镜片为非球面镜片，使用以下公式表征非球面面型： 

 

表2

图2是根据本发明的高投射比投影物镜的各视场点在显示芯片面传递函数MTF值示意图，此传递函数值以投影设备投影距离500mm，投影屏幕40寸为判断情况，以投影角度为视场取样。横坐标为空间频率坐标，纵坐标为传递函数MTF值。显示芯片像素大小7.5um，则要求投影物镜在66线对空间频率时有较高的MTF值，一般要求大于0.3，从图中可以看出，本发明的高投射比投影物镜在66线对空间频率时，轴上视场点MTF值0.75，边缘视场MTF值0.4。

图3 是根据本发明实施例所描述的高投射比投影物镜的0度、20度、30度、40度、53.5度各视场角在芯片面的光线点列图。点列图的均方根半径应小于显示芯片像素大小7.5um。

图4是根据本发明实施例所描述的高投射比投影物镜的场曲与畸变图。从图中可以看出最大畸变为0.6%，人眼基本分辨不出来畸变的存在。

图5是根据本发明实施例所描述的高投射比投影物镜的垂轴色差图。横轴表示色差大小，纵轴表示视场。三种颜色相互之间的垂轴色差均小于一个像素7.5um之内。 

Claims (11)

1.一种用于投影设备的高投射比投影物镜，包括具有正光焦度的第一镜组、具有正光焦度的第二镜组、光阑及显示芯片，其特征在于:第一镜组包括第一、第二子镜组，第一子镜组具有负光焦度，靠近投影屏幕面，第二子镜组具有正光焦度，靠近光阑面，第一、第二子镜组组成反摄远式结构；第二镜组包括第三、第四子镜组，第三子镜组具有负光焦度，靠近光阑面，第四子镜组具有正光焦度，靠近显示芯片。

2.如权利要求1所述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜，其特特征在于：上述投影物镜的投射比为0.5。

3.如权利要求1所述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜，其特征在于：第一镜组光焦度为Φ₁，第二镜组光焦度为Φ₂，0.35<Φ₁/Φ₂<0.55。

4.如权利要求1所述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜，其特征在于：投影物镜的投射比为T，总光焦度为Φ，总长度（不含像距）为L，他们之间满足以下关系：15<T*Φ*L<18。

5.如权利要求1所述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜，其特征在于：第一子镜组的光焦度Φ₁₁，第二子镜组光焦度Φ₁₂，2<|Φ₁₁/Φ₁₂|<4。

6.如权利要求5所述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜，其特征在于：第一子镜组由三片负光焦度弯月型镜片组成，其中第一片或第二片为非球面镜片，第一片和第二片镜片的表面定点曲率半径球心都位于显示芯片一侧，第一片镜片光焦度的绝对值小于第二片镜片光焦度的绝对值，第二片镜片光焦度的绝对值小于第三片镜片光焦度的绝对值。

7.如权利要求5所述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜，其特征在于：第二子镜组由两片正光焦度镜片组成，靠近投影屏幕面的镜片的两个表面球心位于投影屏幕一侧，靠近显示芯片的镜片的两个表面球心位于显示芯片一侧。

8.如权利要求1所述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜，其特征在于：上述光阑位于第一镜组与第二镜组之间，光阑与第一镜组最后一片镜片的后表面的距离为L₁，光阑与第二镜组第一片镜片的前表面的距离为L₂， 0.3<L₂/L₁<0.9。

9.如权利要求1所述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜，其特征在于：第三子镜组由一片正光焦度镜片和两片负光焦度镜片组成的三胶合透镜组，正光焦度镜片位于两片负光焦度镜片之间。

10.如权利要求1所述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜，其特征在于：第四子镜组由三片正光焦度镜片组成，靠近投影屏幕面的镜片的光焦度大于其他两片镜片。

11.如权利要求9所述的一种用于投影设备的高投射比投影物镜，其特征在于：第一子镜组材料选择为冕牌玻璃；第二子镜组材料选择为火石玻璃；第三子镜组中，两片负光焦度镜片材料为火石材料玻璃，正光焦度镜片材料为冕牌玻璃；第四子镜组材料选择为冕牌玻璃。

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