CN102681143B - 一种单机立体数字电影双通道放映镜头结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单机立体数字电影双通道放映镜头结构，包括主光轴的第一分结构体A、两副光轴的第二分结构体B和双通道的第三分结构体C彼此连接而成。本发明是采用一种离轴、三光轴光学结构，通过固定的前分结构和双光轴间距可微调的中间分结构以及放置双通道组件的后分结构的组合，可用于基于DLP、LCD、LCOS三种靶面尺寸为0.55～1.55英寸的单机立体双通道数字电影放映或是单机立体双通道数字投影。在放映或投影时通过调节后组两光轴间距，使左、右眼两画面能严格的按照被拍摄时的状态重现，保证了放映画面或投影画面的质量和最佳的立体效果。该镜头结构可以满足光谱分离技术、偏振光技术不同立体技术的应用。

Description

一种单机立体数字电影双通道放映镜头结构

技术领域

本发明涉及一种立体电影镜头结构，特别涉及了一种基于单机位的立体数字电影双通道放映镜头结构。

背景技术

立体电影以其强烈的视觉冲击力，已成为电影行业一大发展热点。目前，国内外最为流行的立体电影放映技术当属立体数字电影放映技术。

立体数字电影放映技术主流是双机放映和单机放映。双机放映，即使用两台相同的数字电影放映机，以一定方式放置，水平或上下摆放，一台放映左眼图像信号，另一台放映右眼图像信号，并将两个图像同步地投射在同一个银幕上，通过光学偏振或光谱分离（根据不同颜色光的波长来区分影像信号）等方法建立双光路通道，使左右眼只看到相应的图像，这样，基于双目视差的原理，观众就产生了立体视觉。该技术虽然有效，但仍存在一定的缺点，首先，两台放映机无法实现完全同步放映，另外，安装复杂、不易调试、占用空间大、且成本高。

随着单机放映技术的出现，在一定程度上弥补了上述双机放映技术的一些不足。如杜比公司研发的单机色轮放映系统。其采用了一台数字电影放映机，以旋转滤光轮作为分光元件，将可见光分为六个光波段，其中三个光波段进入左眼，另外三个光波段进入右眼，观看时佩戴镀有相应膜层的眼镜。杜比系统采用旋转滤光轮对光源进行滤波处理，需要将其放置在靠近光源且光束比较集中的位置，即在光源与聚光镜之间，这样就需要打开数字放映机的光学引擎。安装过程需要进行精确的调试，旋转滤光轮与放映机输出图像帧频需要严格同步，从而保障放映机以24的整数倍赫兹的帧频率交替地放映左眼影像与右眼影像。然而该技术也存在一定的不足，首先，它会导致较大的光能量损耗，另外，由于需要打开数字电影机的最精密部分—光学引擎才能进行安装旋转滤光轮，所以，安装复杂、难度大、风险高。

发明内容

鉴于上述技术的状况，本发明的目的是针对数字芯片重新分区方式，而提供一种单机立体数字电影双通道放映镜头结构，即将数字芯片作为一个立体图像单元，包含左、右眼两幅图像的信息，放映时，它能同时显示对应左、右眼的两幅图像，且两幅图像尺寸完全相同，按照上、下次序排列，长宽比例根据立体电影画面标准或最大化芯片面积利用率而定，实现单机、单放映镜头放映双通道立体数字电影。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种单机立体数字电影双通道放映镜头结构，包括主光轴的第一分结构体A、两副光轴的第二分结构体B和双通道的第三分结构体C；其中：

主光轴的第一分结构体A，具有在镜头壳体内设有六镜组七片透镜；所述的七片透镜对应银幕方向依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，及一个光栏面，其中第六透镜和第七透镜为双胶合镜组，所述第一透镜为双凸型，曲率绝对值大的面朝前，第二透镜为负弯月型，凸面朝前，第三透镜为负弯月型，凸面朝前，第四透镜为双凸型，曲率绝对值小的面朝前，第五透镜为负弯月型，凸面朝前，第六透镜为负弯月型，凸面朝前，第七透镜为双凸型，曲率绝对值大的面朝前；和

两副光轴的第二分结构体B，具有两个圆缺形镜头壳体与镜头后筒连接，在镜头后筒上安装有光轴间距微调筒，和介于两体间连接的光轴间距微调滑件，在光轴间距微调筒端部装有压圈和固定两侧的矩形压片，其中圆缺形镜头壳体是两个相同的对称结构体，在圆缺形镜头壳体内设有组合的圆缺形球面透镜，依次排列为第八透镜、第九透镜，第十透镜、第十一透镜，其中第八透镜、第九透镜为双胶合镜组，第八透镜为负弯月型，凸面朝前，第九透镜为双凸型，曲率绝对值大的面朝前，第十透镜为双凹型，曲率绝对值小的面朝前，第十一透镜为正弯月型，凸面朝前，所述的两副光轴的第二分结构体B与主光轴的第一分结构体A连接；和

双通道的第三分结构体C，具有一个镜头壳体，其上设有上下间隔的双通道通孔，镜头壳体内设置多带通滤光片或偏振片，该双通道的第三分结构体C与两副光轴的第二分结构体B连接。

在本发明中，所述的主光轴的第一分结构体A内部透镜组合的总光焦度与所述的圆缺形镜头壳体内圆缺形透镜组合的总光焦度比值范围为1:1.7～1:2.9。

本发明所指的镜头光学系统均采用折射式光路，镜头的透镜全部采用球面透镜，透镜材料均为常用的光学材料。

在本发明中，所涉及的单机立体数字电影双通道放映镜头的光学性能参数范围是：焦距f＇=21.4mm～50.6mm；全视场角2ω=36°～45°；子午方向相对孔径（D/f＇）y=1/1.9～1/2.2；弧失方向相对孔径（D/f＇）x=1/1.7～1/2.0；后组两副平行光轴在同一平面内间距为5.4 mm～13.4 mm；反远比为1.0～2.6。

在本发明中，所涉及的镜头结构比例缩放后，可满足DLP、LCD、LCOS三种靶面尺寸为0.55～1.55英寸的单靶面或是三靶面的立体数字电影放映机，或是立体数字投影机的应用。

在本发明中，所涉及的镜头结构可满足光谱分离技术、光偏振技术的单机立体数字电影双通道放映或是单机立体双通道数字投影。

在本发明中，所涉及的镜头结构，通过性能参数的修正及透镜曲率和光学材料的变化，可实现光谱分离技术、光偏振技术的不同芯片尺寸CCD或CMOS的单台立体数字摄像机或是胶片电影摄影机的立体影片的拍摄。

本发明所具有的有益效果是：在数字芯片重新分区方法而产生的立体放映技术的基础上，运用本结构形式设计出的镜头，通过固定的前分结构和双光轴间距可微调的中间分结构以及放置双通道组件的后分结构的组合，可用于基于DLP、LCD、LCOS三种核心技术的各种靶面尺寸的单机立体双通道数字电影放映或是单机立体双通道数字投影。由于后组双光轴间距具有可微调性，所以在放映或投影时通过调节其间距，使左右眼两画面能严格的按照被拍摄时的状态重现，保证了放映画面或投影画面的质量和最佳的立体效果。另外，本结构具有放置双通道组件的活动结构体，针对光谱分离技术、光偏振技术，只需要在活动结构体内更换对应的双通道组件（滤光片、偏振片）即可，通用性强、结构简单、装调简易方便，解决了目前立体数字电影放映技术的一些缺点。较大的相对孔径、长的后工作距离、优质的画面效果，达到和具备了立体数字电影放映的各项基本要求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1镜头结构体B主视图；

图3是图2的M-M剖视图；

图4是图3的N-N剖视图；

图5是图2中圆缺形镜头壳体的结构示意图；

图6是图5的左视图；

图7是图2镜头后筒结构示意图；

图8是图1镜头结构体C的结构示意图；

图9是左、右眼两画面的示意图； 

图10是放映左、右眼画面的系统结构模拟图；

图11是光学结构在焦距35mm情况下，后组光轴偏离子午方向的传递函数曲线图；

图12是光学结构在焦距35mm情况下，后组光轴偏离弧失方向的传递函数曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图实施例，对本发明作进一步的详细说明，仅用于解释本发明的实施例和所具有的有益效果，并非用于限制本发明的保护范围。 

如图1至图8所示的一种单机立体数字电影双通道放映镜头结构，是由主光轴的第一分结构体A、两副光轴的第二分结构体B和双通道的第三分结构体C彼此连接组合而成。所述的主光轴的第一分结构体A内设有六镜组七片透镜。所述的七片透镜包括依次排列的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6-1和第七透镜6-2，其中第六透镜6-1和第七透镜6-2为双胶合镜组，及位于双胶合镜组之后有一个光栏面7。本发明的第一透镜1是双凸型，曲率绝对值大的面朝前（设镜头在放映工作状态时，物方即银幕端为前，像方即数字芯片或胶片端为后），起到分散光焦度、降低前组高级像差量、拉大后工作距离的作用；第二透镜2、第三透镜3均为负弯月型，凸面朝前，起减小前置镜片口径的作用；第四透镜4是双凸型，曲率绝对值小的面朝前；第五透镜5是负弯月型，凸面朝前，第六透镜6-1为负弯月型，凸面朝前，第七透镜6-2为双凸型，曲率绝对值大的面朝前。所述的两副光轴的分结构体B具有两个圆缺形镜头壳体11、11＇与镜头后筒13连接，在镜头后筒13上安装有光轴间距微调筒12，和介于两体间连接的光轴间距微调滑件14与14＇，在光轴间距微调筒12端部装有压圈15和固定两侧的矩形压片16与16＇，其中圆缺形镜头壳体11、11＇是两个相同的对称结构体，在圆缺形镜头壳体11、11＇内设有组合的圆缺形球面透镜，依次排列为第八透镜8-1、第九透镜8-2，第十透镜9、第十一透镜10，其中第八透镜8-1、第九透镜8-2为双胶合镜组，第八透镜8-1为负弯月型，凸面朝前，第九透镜8-2为双凸型，曲率绝对值大的面朝前，第十透镜9为双凹型，曲率绝对值小的面朝前，第十一透镜10为正弯月型，凸面朝前，所述的两副光轴的第二分结构体B与主光轴的第一分结构体A连接。本发明的主光轴的第一分结构体A内部透镜组合的总光焦度与所述的圆缺形镜头壳体11或11＇内圆缺形透镜组合的总光焦度比值范围为1:1.7～1:2.9。圆缺形镜头壳体11与11＇是通过各自的斜线槽（图中未标注）安装两个相同的光轴间距微调滑件14与14＇紧扣对称连接。当斜线槽与水平方向夹角为α时，斜线槽的纵向距离y与横向距离x满足y=x·tan（α）关系。所述的光轴间距微调滑件14、14＇是一个具有两个相同、对称柱状抓的结构，将光轴间距微调滑件14、14＇的柱状抓对称的紧扣在两个圆缺形镜头壳体11与11＇的斜线槽内，起着连接和固定圆缺形镜头壳体11与11＇的作用；镜头后筒13通过两个内滑件槽和两个矩形压片16与16＇将对称紧扣连接的两个圆缺形镜头壳体11与11＇和两个光轴间距微调滑件14与14＇控制在体内，通过外部刻有螺纹与光轴间距微调筒12活动连接。所述的光轴间距微调筒12是一种具有内部螺纹和内部台阶的圆筒结构，通过内部台阶和压圈15将光轴间距微调滑件14、14＇露出镜头后筒13的部分控制在台阶上。当旋转光轴间距微调筒12沿光轴方向前后移动，通过内台阶和压圈15带动光轴微调滑件14、14＇在镜头后筒12的滑件槽内沿光轴方向同步前后移动，同时光轴微调滑件14、14＇的柱状抓在圆缺形镜头壳体11、11＇的斜线槽内沿横向方向同步前后移动（在镜头后筒12内，当光轴间距微调滑件14、14＇在滑件槽内沿光轴方向上同步移动x时，其柱状抓在各自的圆缺形镜头壳体的斜线槽内沿横向方向同样移动x，进而带动圆缺形镜头壳体11、11＇在垂直于光轴方向上对称平稳移动y，且满足y=x·tan（α）），从而带动圆缺形镜头壳体11、11＇在垂直于光轴方向上对称平稳移动，最终改变了结构体B的两平行光轴（两副光轴）的间距。所述的两副光轴的第二分结构体B通过螺纹及顶丝（图中未标注）与主光轴的第一分结构体A固定连接。所述的双通道的第三分结构体C为像方。双通道的第三分结构体C具有一个镜头壳体，其上设有上下间隔的双通道通孔17、17＇，该双通道通孔17、17＇分别对应左、右眼光通道，双通道的第三分结构体C的镜头壳体的双通道通孔17、17＇内设置多带通滤光片或偏振片，构成双通道光路，从而实现光谱分离技术、光偏振技术（圆偏振或线偏振）的单机立体数字电影双通道放映或是单机立体双通道数字投影，双通道的第三分结构体C通过螺钉与两副光轴的第二分结构体B活动连接。

在本发明中，所涉及的单机立体数字电影双通道放映镜头的光学性能参数范围是：焦距f＇=21.4mm～50.6mm；全视场角2ω=36°～45°；子午方向相对孔径（D/f＇）y=1/1.9～1/2.2；弧失方向相对孔径（D/f＇）x=1/1.7～1/2.0；后组两副平行光轴在同一平面内间距为5.4 mm～13.4 mm；反远比为1.0～2.6。

在本发明中，所涉及的镜头结构比例缩放后，可满足DLP、LCD、LCOS三种靶面尺寸为0.55～1.55英寸的单靶面或是三靶面的立体数字电影放映机，或是立体数字投影机的应用。

在本发明中，所涉及的镜头结构可满足光谱分离技术、光偏振技术的单机立体数字电影双通道放映或是单机立体双通道数字投影。

在本发明中，所涉及的镜头结构，通过性能参数的修正及透镜曲率和光学材料的变化，可实现光谱分离技术、光偏振技术的不同芯片尺寸CCD或CMOS的单台立体数字摄像机或是胶片电影摄影机的立体影片的拍摄。

如图9、图10所示，利用本发明镜头进行单机立体数字电影双通道放映或是单机立体双通道数字投影时，左、右眼两画面L、R首先经过等效平行玻璃平板18（模拟各种数字放映机、投影机的内部合分色棱镜）同步地进入双通道的第三分结构体C（左眼画面进入左眼光通道，右眼画面进入右眼光通道），接着同步地进入两副光轴的第二分结构体B（左、右眼画面分别进入不同的圆缺形镜头壳体），然后再同步地经过主光轴的第一分结构体A，最后同步地投射在银幕19的相同区域，观看时佩戴相应立体技术的眼镜，左眼只能看到左眼的画面，右眼只能看到右眼的画面，这样，基于双目视差的原理，观众便可以体验到3D效果。通过旋转光轴间距微调筒12沿光轴方向前后移动，进而带动光轴间距微调滑件14、14＇在镜头后筒13内沿光轴方向同步地前后移动，光轴间距微调滑件14、14＇的移动带动了圆缺形镜头壳体11、11＇在镜头后筒13内沿垂直于光轴的方向上对称平稳移动，即改变了两副光轴的第二分结构体B的两平行光轴的间距，最终改变了银幕上的左、右眼画面的状态。在放映或是投影过程中，通过旋转光轴间距微调筒12，可以保证左、右眼两画面能严格的按照被拍摄时的状态重现，从而可以观看到最佳的3D效果。

本发明的镜头结构是一种离轴、多轴光学结构，其产生的各种像差不再具有对称性，传统的优化设计方法已不能准确的计算出该镜头结构的真实像差，这就需要一种特殊的适合该结构的光学设计优化策略。依据光路可逆性原理，镜头光学结构按反向光路设计。由几何光学基础理论，建立合适的光学模型，分别建立了光栏置后的前组结构和对偏移量敏感度较低的后组结构，利用光学设计优化软件分别对前、后光组进行各种常规像差的计算与优化。在设计优化前光组时，要严格的控制好视场角的大小，要使其像距远大于其焦距，像距越远越好，有利于前、后光组组合之后各种像差的校正。设计优化后光组时，要严格控制好成像像高和光学等效后工作距，其相对孔径值和整个系统相对孔径值之比为 1：2。将分开设计优化好的前、后光组依次输入同一个软件文件内，组合成一个整体结构，首先保证前光组光栏与后光组光栏重合，然后在软件中设定整个系统的基本光学参数：视场角、相对孔径、工作波长，同时在后组之后插入一定厚度（厚度依据放映机、投影机或摄影机的靶面数、靶面尺寸的不同而不同）的等效平行玻璃平板，材料设定为H-K9L，用于模拟各种数字放映机、投影机、摄影机的内部合分色棱镜，这样设计出的镜头就更能保证使用时的画面质量，接着将系统焦距调整到目标值，最后在垂直光轴的方向上将系统的后组中心光轴偏离前组中心光轴。在此基础上，采用人工和设计软件相结合的设计优化方法，对该系统进行改造、优化。在优化时，需要对子午、弧失、子午与弧失夹角45°三种偏离方向分别进行优化，以保证该结构在不同方向上均具有优良的像差；在改造时，保证光栏位于前组与后组之间，且离后组更近，这样可以保证后组的各个视场、各个孔径、各个波面的光程差较小，减少了离轴后的像差影响，有利于像差的进一步优化校正；经过不断的改造、优化，直到该镜头具有较好的像差质量、均匀的像面照度以及很好的工艺性。在优化过程中注意随时更新和调整各种优化目标值。

为了说明本发明的实施例，当镜头等效焦距为1mm时，其光学结构参数如下：

Surface：Type	Radius/mm	Thickness/mm	Material	Decenter Y/mm
					S	7.434	0.259	H-ZK11
S	-12.119	0.007
					S	3.409	0.132	H-LAK8A
S	1.257	0.311
					S	6.542	0.112	H-ZK6
S	1.464	0.94
					S	5.31	0.286	H-ZBAF21
S	-5.459	2.424	H-ZF52A
					S	1.831	0.159
S	3.691	0.396	F3
					S	0.969	0.361	H-ZK8
S	-2.309	0.029
					STO	Infinity	0.057
Coordinate Break				5.4
					S	1.275	0.284	BAF3
S	0.912	0.44	H-ZK9A
					S	-13.067	0.107
S	-6.97	0.121	ZF2
					S	0.769	0.057
S	0.891	0.184	H-ZBAF21
					S	2.662	0.443
S	Infinity	0.6	H-K9L
					S	Infinity	0.229

该结构中，位于光栏（STO）前所有透镜的光焦度绝对值比依次为1:3.9:3.2:1.7:5.5:10.1；位于光栏后所有透镜（不包含平行玻璃平板）的光焦度绝对值比依次为1:3.4:3.9:1.8；光栏前所有透镜的总光焦度为正，光栏后所有透镜（不包含平行玻璃平板）的总光焦度也为正，两者绝对值比为1:2.1。

参看图11、图12，是本发明镜头光学结构在焦距35mm时的传递函数曲线图，横坐标为像面的空间频率，纵坐标为系统的光学传递函数值；其中图11是后组光轴偏离子午方向的传递函数曲线图，图12是后组光轴偏离弧失方向的传递函数曲线图。

本发明的两副光轴的第二分结构体B的两副光轴间距可调功能除上述方式之外，还可以采用如正、反向螺纹调节法、弹簧弹力调节法。

Claims (6)

1.一种单机立体数字电影双通道放映镜头结构，其特征是，包括主光轴的第一分结构体A、两副光轴的第二分结构体B和双通道的第三分结构体C；其中：

主光轴的第一分结构体A镜头壳体内设有六镜组七片透镜；所述的七片透镜对应银幕方向依次设置第一透镜（1）、第二透镜（2）、第三透镜（3）、第四透镜（4）、第五透镜（5）、第六透镜（6-1）和第七透镜（6-2），及一个光栏面（7），其中第六透镜（6-1）和第七透镜（6-2）为双胶合镜组，所述第一透镜（1）为双凸型，曲率绝对值大的面物方朝前，第二透镜（2）为负弯月型，凸面物方朝前，第三透镜（3）为负弯月型，凸面物方朝前，第四透镜（4）为双凸型，曲率绝对值小的面物方朝前，第五透镜（5）为负弯月型，凸面物方朝前，第六透镜（6-1）为负弯月型，凸面物方朝前，第七透镜（6-2）为双凸型，曲率绝对值大的面物方朝前；和

两副光轴的第二分结构体B，具有两个圆缺形镜头壳体（11、11＇）与镜头后筒（13）连接，在镜头后筒（13）上安装有光轴间距微调筒(12)，和介于两体间连接的光轴间距微调滑件(14 、14＇)，在光轴间距微调筒(12)端部装有压圈(15)和固定两侧的矩形压片(16、16＇)，其中圆缺形镜头壳体(11、11＇)是两个相同的对称结构体，在圆缺形镜头壳体(11、11＇)内设有组合的圆缺形球面透镜，依次排列为第八透镜(8-1)、第九透镜(8-2)，第十透镜(9)、第十一透镜(10)，其中第八透镜(8-1)、第九透镜(8-2)为双胶合镜组，第八透镜(8-1)为负弯月型，凸面物方朝前，第九透镜(8-2)为双凸型，曲率绝对值大的面物方朝前，第十透镜(9)为双凹型，曲率绝对值小的面物方朝前，第十一透镜(10)为正弯月型，凸面朝前，所述的两副光轴的第二分结构体B与主光轴的第一分结构体A连接；和

双通道的第三分结构体C，具有一个镜头壳体，其上设有上下间隔的双通道通孔（17、17＇），镜头壳体内设置多带通滤光片或偏振片，该双通道的第三分结构体C与两副光轴的第二分结构体B连接。

2.根据权利要求1所述的单机立体数字电影双通道放映镜头结构，其特征是，所述的镜头光学系统系采用折射式光路；光栏面（7）前第一分结构体A内部透镜组合的总光焦度与光栏面（7）后光通道内第二分结构体B圆缺形镜头壳体内圆缺形透镜组合的总光焦度比值范围为1:1.7～1:2.9。

3.根据权利要求1所述的单机立体数字电影双通道放映镜头结构，其特征是，所述的镜头结构按比例缩放后，光学参数范围为：焦距f＇=21.4mm～50.6mm；全视场角2ω=36°～45°；子午方向相对孔径（D/f＇）y=1/1.9～1/2.2；弧失方向相对孔径（D/f＇）x=1/1.7～1/2.0；后组两副光轴在同一平面内平行间距为5.4 mm～13.4 mm；反远比为1.0～2.6。

4.根据权利要求1所述的单机立体数字电影双通道放映镜头结构，其特征是，所述的镜头结构比例缩放后，可满足DLP、LCD、LCOS三种靶面尺寸为0.55～1.55英寸的单靶面或是三靶面的立体数字电影放映机，或是立体数字投影机的应用。

5.根据权利要求1所述的单机立体数字电影双通道放映镜头结构，其特征是，所述的镜头可用于光谱分离技术、光偏振技术的单机立体数字电影双通道放映或是单机立体双通道数字投影。

6.根据权利要求1所述的单机立体数字电影双通道放映镜头结构，其特征是，所述的镜头结构，通过性能参数的修正及透镜曲率和光学材料的变化，可实现光谱分离技术、光偏振技术的不同芯片尺寸CCD或CMOS的单台立体数字摄像机或是胶片电影摄影机的立体影片的拍摄。

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