CN102778739B - 一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，包括镜头的前主筒、变倍筒、补偿筒和后主筒，还包括同轴置于所对应的镜头前主筒、变倍筒、补偿筒和后主筒位置的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组、后固定镜组和孔径光栏。本发明变焦结构形式为采用“非物像交换原则”设计而成的机械补偿法正组变倍、负组补偿形式。变倍镜组和补偿镜组所因循的两条凸轮曲线都构造为标准螺旋线，本发明采用了导程规整的两条标准螺旋线作为变倍镜组和补偿镜组的凸轮曲线，降低了生产难度和装调难度，提高了镜头结构的稳定性，调节的平顺性，有利于批量生产，可以满足常见的不同尺寸芯片、不同芯片长宽比的1LCD、3LCD或1DMD类型数字投影机使用。

Description

一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头

技术领域

本发明涉及一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头。在一定范围内可满足不同芯片尺寸、不同芯片长宽比的1LCD、3LCD或1DMD类型常见主流数字工程投影机对于整球形幕和半球形幕的投射需求。

背景技术

鱼眼镜头是所有光学镜头类别中非常特殊的一种，其像高和视场角的函数关系可以根据需要而设定，一般用于120o到180o视场环境的拍摄和投影，成像原理为“非相似成像”，即通过引入定量“畸变”，产生大反远比，并增加镜头视场角。不同的应用领域，鱼眼镜头的结构参数和应用环境参数不同。上世纪七十年代，鱼眼镜头在电影行业首先出现，用来拍摄和放映35mm及70mm胶片的球幕（也称穹幕）电影，从而引发了鱼眼镜头被广泛使用的序幕。

目前市场上的鱼眼镜头包括摄影（摄像）、监控、放映和投影镜头，其光学结构一般都是固定焦距，包含8~12片透镜，尤其在放映和投影应用领域由于需要更大的反远比和更大的相对孔径，一般光学结构都具有10~12片透镜。在数字球幕投影领域，因为投影机光学引擎本身结构特性，要求投影镜头具有至少6倍的反远比，同时由于投影机亮度不能无限增大，这就要求投影镜头应该具有较大的相对孔径，尽量减小镜头自身的光能损失。

直到进入21世纪，才出现了变焦鱼眼镜头，但也仅仅局限于摄影领域，未见公开在投影或放映领域中应用的报道，尤其通用型的变焦鱼眼投影镜头在国际上仍然是空白。众所周知，不同品牌的数字投影机采用不同技术类型的光学引擎和不同尺寸规格的芯片，芯片尺寸的不同又对应光学引擎中不同尺寸的分光/合光棱镜组结构，那么，对于数字投影领域的变焦鱼眼镜头来说，能达到通用目的，就应该具有以下三个基本功能，一是焦距连续可调节，进而导致像高变化来适应不同的芯片尺寸；二是镜头要补偿不同投影机引擎棱镜的尺寸差异而造成的像差变化，保证像质优良；三是要保证用于同一投影机时变焦后像面位置稳定。 

近来，随着数字图像处理技术的进步、对数字视频素材变形处理能力的提高、以及市场对多样化投影或图形显示需求的不断出现，促进了基于数字投影机的特殊形式投影应用的发展，针对整球形幕（背投）和针对半球形幕（正投）投影的应用越来越广泛，这也促进了对满足数字投影机使用的鱼眼投影镜头的研究与开发。同时，随着光学设计理论和设计软件不断取得重大突破，对鱼眼镜头结构的光学像差控制和优化能力得以大大加强，因而各种类型的鱼眼镜头接连出现，但目前市场上所应用的投影鱼眼镜头结构都是定焦结构，且结构相对复杂，一般是10~12片结构。近几年，大量新品牌新规格的数字投影机不断涌现，它们所采用的芯片类型、尺寸和芯片长宽比例各异，在主流工程机范围其芯片尺寸范围为0.63~0.98英寸（对角线），长宽比例则有4：3和16：9，而鱼眼镜头的像高一般等于芯片短边长，如果采用定焦距结构，就需要很大的镜头规格系列来对应，又由于球幕投影是特殊形式的投影，需求和应用远不及常规形式，就造成鱼眼镜头无法规模化生产，也就无法降低生产成本，继而影响到球幕投影技术的发展。

发明内容

鉴于现有技术的状况，本发明提供了一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头。其通用型变焦鱼眼镜头光学结构变焦设计原则采用“非物像交换原则”，结构形式为机械补偿法正组变倍、负组补偿，其光学结构在焦距变化的同时充分补偿了像面位移，兼顾补偿了不同数字投影机的引擎棱镜光程差所造成的各种像差；变倍镜组相对与前固定组的光学间隔变化量和补偿镜组相对于后固定组的光学间隔变化量在所有焦距段相对应并呈现出良好线性关系，同一只镜头在一定范围内可以满足不同技术类型、不同芯片尺寸及不同芯片长宽比的数字投影机使用，具有很强的通用性。此外，实现变倍镜组和补偿镜组光学位置连续调整的机械结构部分的两条凸轮曲线都构造为标准的螺旋线，使其运动组元光学间隔按照光学结构需要而连续变化，在精准连续变焦和像面稳定的前提下，最大限度简化了镜头机械结构，提升了镜头的生产工艺性。

本发明的技术解决方案是：一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，包括机械结构和光学结构两部分；

机械结构包括：具有镜头前主筒、后主筒、变倍筒和补偿筒，所述的镜头前主筒和后主筒，彼此通过安装旋转滑环和可绕轴向滑动位移的柱面滑键连接，在后主筒上分别设有像面距调节手轮和变焦调节手轮，又通过变焦调节手轮与凸轮筒连接，凸轮筒上有两条螺旋线槽，凸轮筒内壁与前主筒及导引筒外壁滑动配合，前主筒通过螺纹固定连接导引筒，导引筒上有一条直线槽，所述的变倍筒和补偿筒分别安装在导引筒内，并和导引筒滑动配合，在所述凸轮筒上设有的第一滑动销钉、第二滑动销钉分别穿过凸轮筒和导引筒上的两条螺旋线槽和导引筒上的直线槽，并分别滑动连接变倍筒和补偿筒；和

光学结构包括：具有十片透镜构成四个光学功能性镜组，依次排列为总光焦度为负的前固定镜组、总光焦度为正的变倍镜组、总光焦度为负的补偿镜组和总光焦度为正的后固定镜组，位于补偿镜组和后固定镜组之间设有孔径光栏；所述的前固定镜组由负光焦度第一透镜、负光焦度第二透镜、负光焦度第三透镜、正或负光焦度第四透镜共四片透镜构成，所述的变倍镜组由正光焦度第五透镜共一片透镜构成，所述的补偿镜组由相互胶合的正光焦度第六透镜和负光焦度第七透镜共两片透镜构成，所述的后固定镜组由负光焦度第八透镜、正光焦度第九透镜、正光焦度第十透镜构成，其中第八透镜和第九透镜相互胶合，所述的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组和后固定镜组、孔径光栏同轴置于机械结构中所对应的镜头前主筒、变倍筒、补偿筒和后主筒的位置。

因此，该镜头的机械调整机构主要利用带有两条螺旋线型曲线槽的凸轮筒和一个带有直线槽的内置导引筒来实现光学运动组元的光学间隔调整功能，凸轮筒在导引筒外，滑动配合。变倍筒和补偿筒同处于导引筒内，并和导引筒滑动配合，通过凸轮筒绕光轴旋转，带动变倍筒和补偿筒在导引筒内灵活运动，以实现变倍镜组和补偿镜组的位置调节。

本发明的四个光学功能性镜组中，前固定镜组主要功能是产生足够大的角放大率，实现大视场角的光学性能，变倍镜组通过相对于前固定组同轴的、连续的、单调的光学间隔变化，来实现镜头焦距连续变化，补偿镜组通过相对于后固定镜组发生同轴的、连续的、单调的光学间隔变化，来持续的补偿变倍镜组因位置变化而产生的像面位移，以保证像面稳定，后固定镜组的主要功能是保证镜头所需焦距范围，并减小因补偿镜组光学间隔按线性变化所引起的像面位移欠补偿的影响；在最短焦距处，变倍镜组和补偿镜组之间的光学间隔达到最小，在最长焦距处，变倍镜组和补偿镜组之间的光学间隔达到最大。在从最短焦距变化到最长焦距，变倍镜组光学间隔变化的距离总是小于补偿镜组光学间隔变化的距离，而且移动方向相反。

在本发明中，光学结构中运动组元的变倍镜组和补偿镜组统称为变焦核，变焦核与前固定镜组和后固定镜组的位置关系用包含了光学功能性镜组物距和像距信息的轴向放大率来表示，按照高斯光学设计理论，采用规化条件，即在变倍镜组焦距等于1的条件下，变焦核的特征为，补偿镜组的焦距范围为-1.5~-1.7；以最短焦距作为变焦初始位置，变倍镜组的轴向放大率范围为-1.3~-1.4，补偿镜组的轴向放大率范围为-1.5~-1.7，以保证变焦过程中变倍镜组的移动距离接近并小于补偿镜组的移动距离；在整个焦距段，后固定镜组的轴向放大率范围为-0.08~-0.14之间，后固定镜组的焦距数值总是接近并略大于整个镜头在空气中的后工作距离。

在本发明中，所述的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组和后固定镜组的光焦度绝对值比为1：0.212：0.14：0.549；其中变倍镜组和补偿镜组的光焦度比约为3：-2；在所有焦距段，孔径光栏前各镜组的光焦度之和总为负，孔径光栏后各镜组的光焦度之和总为正；最长焦距处和最短焦距处，孔径光栏前的光焦度比最大为1：1.5，孔径光栏前后光焦度和之比的范围为-1：1.3~-1：1.95。

本发明所指光学结构的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜的玻璃材料依次采用：重冕系或镧冕系、重冕系或镧冕系、重冕系或镧冕系、重火石系、轻冕系或冕系、重火石系、镧冕系或重冕系、重火石系、钡冕系或重冕系、重冕系或镧冕系光学玻璃材料。

本发明所述的孔径光栏是一个和镜头筒材质相同的并和光学对称轴同轴的中空圆孔。

本发明光学结构中的其它光学参数，包括折射工作面曲率、透镜厚度和空气间隔，可根据具体生产工艺、光学原材料尺寸规格和常规的光学像差控制理论的像差匹配要求而定。

根据本发明的应用特点，针对性进行实际设计时，可根据具体需要选择性能参数大小，本发明具有的极限性能参数或参数范围为：各个焦距段全视场角不变，视场角最大可达185°；等效空气中镜头反远比——光学后工作距L′和焦距fn的比值为最大达12倍；各个焦距段相对孔径不变，最大相对孔径为D′/ fn=1/1.8，其中D′为镜头结构入瞳直径，fn为对应焦距值，焦距变化能力变倍比为最大fl/fs=1.5，其中fl是最长焦距，fs是最短焦距。

在本发明中，所述的变焦鱼眼镜头，按比例进行焦距缩放，可适用全视场像高直径范围3mm~30mm的特定需求，适用更大范围的数字投影机。

本发明的变焦鱼眼镜头，适用色光波长范围400nm~ 700 nm。 

本发明所指的十片透镜的折射工作面均可以设计为标准球面，但完全可以把光学结构中的某个或几个标准球面变更为非球面，这样，通过复杂化的设计、牺牲加工工艺性有利于光学系统的像差校正。

本发明经过针对性地统计和分析目前市场上已经出现的工程类数字投影机的芯片对角线尺寸a及其长宽尺寸 b × c的分布规律，并充分研究和归纳了芯片尺寸和光学引擎棱镜光程尺寸的一般对应关系，设计时用一定厚度E的等效玻璃平板来替代光学引擎棱镜光程尺寸，将c和E作为结组变量对应考虑，芯片尺寸的短边长c确定为镜头的“像高”，根据像高的变化范围确定了本发明的长、短焦距极限fl和fs，根据引擎棱镜尺寸情况，等效为一定厚度E的平行玻璃平板，对应加入光学系统不同焦距段，再计算出不同焦距时由于所加入的不同厚度E的等效平行玻璃平板厚度差值Δe，用公式ΔL（1/n-1）=Δe将玻璃厚度差转换计算为空气厚度差ΔL，其中n是引擎棱镜所采用的玻璃材料折射率，在每个焦距段保证E增加Δe时，相对应地镜头最后一个镜片的最后一个面的顶点到像面的距离L也要增加（-ΔL），其中L是空气中的间隔数据，作为光学系统计算和优化的附加条件，因为镜头计算和优化模型的“混合”的后工作距离包括了空气间隔和玻璃平板厚度E，所以实际上把E折算成等效空气间隔后，镜头的实际后工作距离就是一个常量，如此得到的结果便保证了像面位置稳定不变。也就是说，该结构除了补偿了变焦而引起的像面的位移量，同时也补偿了部分的像差，因为根据光学像差理论，玻璃平行平板厚度差值Δe对于斜入射的光线来说要产生多种像差，必须得到很好的校正。

总之,本发明所具有的积极效果是：本发明有效利用了光学结构及机械结构形式，实现了投影领域通用型鱼眼变焦镜头的功能，由折射工作曲面全部为球面的十片透镜和一个孔径光栏，构成了通用型数字投影变焦鱼眼镜头的全部光学结构，以最简单的形式实现了满足绝大多数工程数字投影机使用的通用性。本发明提供的镜头结构，充分考虑了光学引擎几何尺寸差异造成的光学像差影响，可以满足芯片类型为1LCD、3LCD和1DMD芯片的投影机使用；通过镜头上的变焦调节手轮可以连续变焦，来改变镜头的适应像高，进而满足具有不同芯片尺寸和长宽比例的数字投影机使用；镜头针对不同焦距段对应不同厚度等效玻璃平板的方案进行像差优化，并保持等效空气中后工作距离相等，最大程度的保持了像面的稳定，最大程度补偿了引擎棱镜光程长度变化而造成的像差，保证了所有焦距段的像质优良；而且，本发明在确保通用性强适用范围广的特性前提下，没有损失其他光学性能，仍具有最大D′/fn=1/1.8的最大相对孔径、 185°的最大视场角、最大可达12倍的反远比、最大可达1.5倍的变倍比的特点，且像差情况优良。另外，本发明的机械结构简单，采用了导程规整的两条标准螺旋线作为变倍镜组和补偿镜组的凸轮曲线，大大降低了生产难度和装调难度，提高了镜头结构的稳定性，调节的平顺性，降低了生产成本，有利于批量生产，极大地增加了数字球幕投影形式大范围推广的可能性。

附图说明

图1是本发明的通用型变焦鱼眼镜头结构总装图；

图2是图1的光学结构图；

图3中(a)、(b)是图2的最长、最短焦距光学组元位置示意图；

图4中(a)、(b)是图1中的凸轮筒的结构及其上的两条凸轮曲线的柱面展开图；

图5中(a)、(b)、(c)是图1变焦鱼眼镜头在三典型焦距的点列图和传递函数曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。仅用于解释本发明和所具有的有益效果，并非用于限制本发明的保护范围。 

本发明的实施例，针对目前市场上出现的主流工程数字投影机，设计了一款通用型变焦鱼眼镜头，基本性能参数为：焦距范围fs~fl=4.72~6.30毫米，变倍比为1.33倍；全视场角 160°；半视场像高范围YH=4.8~6.48毫米，满足1LCD、3LCD、1DMD技术类型的数字投影机使用，在全视场条件下满足的芯片尺寸范围为0.63~0.95英寸，满足芯片长宽比例包括4：3和16：9两种情况；该镜头反远比——光学后截距L′和焦距fn的比为6.44~8.54；相对孔径D′/fn为1/2.0，其中D′为入瞳直径。本发明实施例光学功能镜组焦距配置数据为，变倍镜组焦距f变=101.23mm，补偿镜组焦距f补=-153.87mm，变焦初始位置为最短焦距，变倍镜组和补偿镜组的最小光学间隔为1.53mm，变焦初始位置，变倍镜组轴向放大率为-1.35；前固定镜组焦距f前=-21.49mm，后固定镜组焦距为f后=39.144mm，镜头空气中等效光学后工作距离为L′=40.3mm。本实施例的光学结构参数见表1，按照常规数据文件格式惯例表示，表述顺序由前至后。

表1本发明实施例的光学结构参数（长度单位mm）。

序号	球面半径R	间隔厚度	材料牌号	材料产地
					OBJ（物）	∞	∞	空气
1	731.1	3	H-ZK11	成都光明
					2	23.77	18.78	空气
3	-59.98	1.81	H-LaK50	成都光明
					4	-420.7	54.66	空气
5	-1052	2.42	H-ZK1	成都光明
					6	61.52	10.98	空气
7	-70.31	3.5	H-ZF52	成都光明
					8	-48.08	B	空气
9	74.5	4.5	H-QK3	成都光明
					10	-144.69	C	空气
11	-72.95	4.0	H-ZF11	成都光明
					12	-23.77	1.8	H-LAK53	成都光明
13	-143.22	D	空气
					STO(光栏)	∞	0.49	空气
15	92.26	1.77	H-ZF52	成都光明
					16	23.77	4.0	H-BAK4	成都光明
17	-151.577	0.59
					18	32.73	4.0	H-ZK9	成都光明
19	-96.609	F	空气
					20	∞	E	H-K9(棱镜模拟)	成都光明
21	∞	2.90	空气
					IMA(像)	∞		空气

表1中“材料牌号”栏中的“H-”表示是环保类型材料，“间隔厚度”栏中包含B、C、D、E、F五个变化量，为可变间隔，对应不同的焦距值fn，实施例计算了20个焦距段，对应可变光学间隔数据见表2。

表2本发明实施例的焦距——可变光学间隔对应关系（长度单位mm）。

焦距	B	C	D	F	E
						f1=6.301	58.07	37.41	4.22	20.55	26.00
f2=6.261	58.47	36.59	4.46	20.875	25.50
						f3=6.184	59.24	35.02	5.44	21.20	25.00
f4=6.112	59.75	33.41	6.54	21.525	24.50
						f5=6.041	60.25	31.80	7.65	21.85	24.00
f6=5.934	61.38	29.57	8.75	22.175	23.50
						f7=5.830	62.50	27.35	9.85	22.50	23.00
f8=5.755	63.10	25.62	10.98	22.825	22.50
						f9=5.683	63.68	23.91	12.11	23.15	22.00
f10=5.576	64.99	21.62	13.09	23.475	21.50
						f11=5.472	66.28	19.34	14.08	23.80	21.00
f12=5.391	67.06	17.40	15.24	24.125	20.50
						f13=5.312	67.81	15.48	16.41	24.45	20.00
f14=5.213	69.16	13.26	17.28	24.775	19.50
						f15=5.116	70.50	11.04	18.16	25.10	19.00
f16=5.028	71.53	8.88	19.29	25.425	18.50
						f17=4.942	72.54	6.73	20.43	25.75	18.00
f18=4.850	73.90	4.55	21.25	26.075	17.50
						f19=4.761	75.24	2.39	22.07	26.40	17.00
f20=4.728	75.66	1.53	22.51	26.725	16.50

根据表2，当焦距从f1 变化到f20，B的总变化量ΔB为17.59mm，D的总变化量ΔD为18.29mm，ΔB接近并略小于ΔD；在任一焦距段，B和D的变化为线性关系。表2中的B、C、D是计算得到的光学间隔变量参数，而F和E是人为给定的工作环境附加条件，用来约束像面位置的稳定。E是总结归纳投影机的引擎结构得到的统计数据，本实施例中以0.5mm的变化量梯次分布于不同焦距段，客观地反映了该焦距或者该像高所应该对应的投影机引擎棱镜的真实厚度值，极少量的误差也不足以造成像质的较大变化；F是在保证满足像高最大时光学引擎对后工作距离的需要而设定的合理许用值，和E对应，结组变化。表1中给出的第一至第十透镜的光学材料分别为重冕系的H-Zk11、镧冕系的H-LaK50、重冕系的H-ZK1、重火石系的H-ZF52、轻冕系的H-QK3、重火石系的H-ZF11、镧冕系的H-LaK53、重火石系的H-ZF52、钡冕系的H-BaK4、重冕系的H-ZK9；所述的透镜工作面均为标准球面。本实施例适用色光波长范围420nm-680 nm。

见图1、图2给出的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，包括机械结构和光学结构两部分；所述的机械结构，具有镜头的前主筒201、后主筒210，前主筒201和后主筒210通过旋转滑环211和可绕轴滑动的柱面滑键212连接，同时，前主筒201和后主筒210之间还装有可轴向滑动的滑动键213，可以使整个镜头在轴向产生相对后主筒210的位移，在后主筒210上设有像面距调节手轮202和变焦调节手轮203，变焦调节手轮203通过螺钉连接凸轮筒204，凸轮筒204上有两条螺旋线槽（图中未标注），和前主筒201通过螺纹(图中未标注)固定连接的是导引筒205，导引筒205上有一条直线槽（图中未标注），凸轮筒204内壁和前主筒201及导引筒205外壁滑动配合，变倍筒206和补偿筒208处在导引筒205内，并和导引筒205滑动配合，第一滑动销钉207、第二滑动销钉209分别穿过凸轮筒204上的两条螺旋线槽的同时又穿过导引筒205上的直线槽，并分别连接变倍筒206和补偿筒208。本实施例的镜头的前主筒201、后主筒210，前主筒201和后主筒210中安装由四个光学功能性镜组组成的光学结构。所述的光学结构包括，由十片透镜构成四个光学功能性镜组，依次排列为总光焦度为负的前固定镜组、总光焦度为正的变倍镜组、总光焦度为负的补偿镜组和总光焦度为正的后固定镜组，位于补偿镜组和后固定镜组之间设有的孔径光栏A。其中，所述的前固定镜组由负光焦度第一透镜101、负光焦度第二透镜102、负光焦度第三透镜103、正或负光焦度第四透镜104共四片透镜构成，所述的变倍镜组由一片正光焦度第五透镜105构成，所述的补偿镜组为相互胶合的正光焦度第六透镜106和负光焦度第七透镜107共两片透镜构成，所述的后固定镜组为负光焦度第八透镜108、正光焦度第九透镜109、正光焦度第十透镜110共三片透镜构成，其中第八透镜108和第九透镜109相互胶合且位于在第十透镜110之前。本实施例中，前固定镜组的第四透镜104和变倍镜组的第五透镜105的可变光学间隔为B；补偿镜组的第七透镜107和后固定镜组的第八透镜108的可变光学间隔为D，则变倍镜组的第五透镜105和补偿镜组的第六透镜106的光学间隔为C，其光学间隔C也可变化，且C=B+D。图2中的F和E是代表镜头混合的后工作距离，和表2中E、F具有相同意义，F是空气间隔，E模拟投影机引擎棱镜的等效平行玻璃平板（K9玻璃）厚度，在任何焦距段，F+E（n-1）保持为恒量，其中n是模拟投影机棱镜的等效玻璃平板的折射率。

本实施例所述镜头的前固定镜组的负弯月型第一透镜101为凸面朝前凹面朝后、负弯月型第二透镜102为凹面朝前凸面朝后、双凹型第三透镜103为曲率绝对值大的面朝后、正弯月型第四透镜104为凹面朝前凸面朝后，所述镜头的变倍镜组的双凸型第五透镜105为曲率绝对值大的面朝前，所述镜头的补偿镜组的正弯月型第六透镜106为凹面朝前凸面朝后和负弯月型第七透镜107为凹面朝前凸面朝后的双胶合而成，所述镜头的后固定镜组的负弯月型第八透镜108为凸面朝前凹面朝后和双凸型第九透镜109为曲率绝对值大的面朝前的双胶合而成和位于之后的双凸型第十透镜110为曲率绝对值大的面朝前。

本发明实施例的光学结构，所给出的镜头工作时投影机引擎棱镜等效平板和投影机芯片的相对位置，镜头描述参考方向为：镜头工作时，对着屏幕方向，也称物方的一端为“前”；投影机芯片方向，也称像方的一端为“后”。

本发明实施例的机械结构，具有调节焦距和整体调节像面距的功能。变焦镜头尤其是机械补偿式变焦镜头，需要在轴向以不同速率和方向移动变倍镜组和补偿镜组，调节方法是通过凸轮筒绕轴旋转而引导凸轮曲线槽内滑动销钉或滚动轴承产生轴向位移，滑动销钉或滚动轴承直接和独立承载变倍镜组和补偿镜组的变倍筒和补偿筒固定连接，从而调节变倍镜组和补偿镜组的光学元件的光学间隔，变倍镜组和补偿镜组的移动方向和移动距离不同，变倍镜组和补偿镜组所因循的凸轮槽曲线轨迹就不同，该凸轮槽曲线轨迹在凸轮筒上称为凸轮曲线。根据经典变焦镜头设计理论，采用机械补偿法设计的变焦镜头，其变倍镜组和补偿镜组所因循的两条凸轮曲线中一般只有一条可以拟合成标准螺旋线，而另外一条凸轮曲线只能是高次曲线。本发明通过合理的光学设计，最大程度改造了变倍镜组相对于前固定组的光学间隔和补偿镜组相对于后固定组的光学间隔的变化规律，使两光学间隔变化规律更接近线性关系，从而为机械结构中凸轮曲线的线型特性设计提供了保障，采用在不等直径的同一凸轮筒上按照相同向心转角分别布置凸轮曲线的形式，即把变倍镜组所因循的凸轮曲线布置在凸轮筒较大直径一端，将补偿镜组所因循的凸轮曲线布置在凸轮筒较小直径一端，当凸轮绕轴旋转时，凸轮曲线槽推动变倍镜组和补偿镜组按照光学间隔变化需要而规范运动，两条凸轮曲线都可构造成导程规整的标准螺旋线。

本发明的前固定镜组和后固定镜组结构是参照本申请人的发明专利号为201010173497.9的基础结构，按照目标焦距范围的最短焦距要求进行焦距缩放，在缩放焦距后得到的光学结构的孔径光栏前加入了称之为变焦核的变倍镜组和补偿镜组，变倍镜组由一片正光焦度透镜组成，补偿镜组由居前的一片正光焦度的透镜和居后的一片负光焦度的透镜相互胶合而构成，并将原专利的负光焦度的第二透镜分裂为两片负光焦度的透镜，以利像差平衡和校正，如此便形成了包含一个孔径光栏A和折射工作面都是标准球面的十片透镜组成的变焦鱼眼镜头光学结构。

图3(a)给出了本实施例镜头处于最长焦距时的光学组元位置。图3(b)给出了本实施例镜头处于最短焦距时的光学组元位置。前固定镜组主要功能是产生足够大的角放大率，实现大视场角的光学性能，变倍镜组通过相对于前固定镜组同轴的、连续的、单调的光学间隔B变化，来实现镜头焦距连续变化，补偿镜组通过相对于后固定镜组发生同轴的、连续的、单调的光学间隔D变化，来持续的补偿因变倍镜组位置变化而产生的像面位移，以保证像面稳定，后固定镜组的主要功能是保证镜头所需焦距范围，并减小因补偿镜组光学间隔D按线性变化所引起的像面位移欠补偿的影响；在最短焦距处，变倍镜组和补偿镜组之间的光学间隔C达到最小，在最长焦距处，变倍镜组和补偿镜组之间的光学间隔C达到最大。在从最短焦距变化到最长焦距，变倍镜组光学间隔变化的距离ΔB总是小于补偿镜组光学间隔变化的距离ΔD，而且移动方向相反。

本发明实施例的光学运动组元，包括变倍镜组和补偿镜组统称为变焦核，变焦核与前固定镜组和后固定镜组的位置关系用包含了光学功能性镜组物距和像距信息的轴向放大率来表示，按照高斯光学设计理论来阐述，采用规化条件，即在变倍镜组焦距等于1的条件下，变焦核的特征为，补偿镜组的焦距为-1.52；以最短焦距作为变焦初始位置，变倍镜组的轴向放大率为-1.35，补偿镜组的轴向放大率为-1.61，以保证变倍镜组变焦时的移动距离接近并略小于补偿镜组的移动距离；在整个焦距段，后固定镜组的轴向放大率为-0.093，后固定镜组的焦距数值为39.14mm，接近并略小于整个镜头在空气中的后工作距离40.3mm。

在本发明的实施例中，前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组和后固定镜组的光焦度绝对值比为1：0.212：0.14：0.549；其中变倍镜组和补偿镜组的光焦度比约为3：-2；在所有焦距段，孔径光栏A前各镜组的光焦度之和总为负，孔径光栏A后各镜组的光焦度之和总为正；最长焦距处和最短焦距处，孔径光栏A前的光焦度比和变倍比有关，本实施例为1：1.33，孔径光栏A前、后光焦度和之比的范围为-1：1.451~-1：1.842。

本发明经过针对性地统计和分析目前市场上已经出现的工程类数字投影机的芯片对角线尺寸a及其长宽尺寸 b x c的分布规律，并充分研究和归纳了芯片尺寸和光学引擎棱镜光程尺寸的一般对应关系，设计时用一定厚度E的等效玻璃平板来替代光学引擎棱镜光程尺寸，将c和E作为结组变量对应考虑，芯片尺寸的短边长c确定为镜头的“像高”，根据像高的变化范围确定了本发明的长、短焦距极限fl和fs，根据引擎棱镜尺寸情况，等效为一定厚度E的平行玻璃平板，对应加入光学系统不同焦距段，再计算出不同焦距时由于所加入的不同厚度E的等效平行玻璃平板厚度差值Δe，用公式ΔL（1/n-1）=Δe将玻璃厚度差转换计算为空气厚度差ΔL，其中n是引擎棱镜所采用的玻璃材料折射率，在每个焦距段保证E增加Δe时，相对应地镜头最后一个镜片的最后一个面的顶点到像面的距离L也要增加（-ΔL），其中L是空气中的间隔数据，L=E（n-1）+F,作为光学系统计算和优化的附加条件，因为镜头计算和优化模型的“混合”的后工作距离包括了空气间隔和玻璃平板厚度E，所以实际上把E折算成等效空气间隔后，镜头的实际后工作距离就是一个常量，如此得到的结果便保证了像面位置稳定不变。也就是说，该结构除了补偿了变焦而引起的像面的位移量，同时也补偿了部分的像差，因为根据光学像差理论，玻璃平行平板厚度差值Δe对于斜入射的光线来说要产生多种像差，必须得到很好的校正。

图4(a)给出了图1中凸轮筒204上两条凸轮曲线的相对位置关系，在凸轮筒的不同位置上有两条相对成一定倾角的凸轮曲线。并且给出了分别连接变倍镜组、补偿镜组的第一和第二滑动销钉在最长焦距和最短焦距的位置，相对于凸轮筒的机械对称轴，二滑动销钉具有相同转角。

图4(b)是图1中凸轮筒204上的两条螺旋线型凸轮曲线槽中线的柱面展开图，此两条凸轮曲线是根据表2中的间隔变化量B、C、D拟合而成,两条凸轮曲线展开后都是直线。变倍镜组所因循的凸轮曲线槽布置在凸轮筒的前端，接触工作中径Φ50mm，补偿镜组所因循的凸轮曲线槽布置在凸轮筒的后端，接触工作中径Φ41mm；变倍镜组凸轮曲线为螺旋线，旋转一周的导程为100mm，螺旋升角约32.5度；补偿镜组凸轮曲线也为螺旋线，旋转一周的导程为104mm，螺旋升角约为38.9度。假设变倍镜组凸轮曲线和补偿镜组凸轮曲线在最短焦距时处在凸轮筒的同一个基准零度位置，那么，凸轮筒在旋转57.6度时便是最长焦距位置。

图5中(a)、(b)、(c)分别给出了本发明实施例在最长焦距、中间焦距和最短焦距时的点列图和传递函数曲线图，(a) f1=6.30mm；(b) f10=5.47mm；(c) f20=4.72mm。表明了光学结构在不同焦距段的成像质量情况。点列图和传递函数曲线是光学设计过程中分析和评价光学系统成像质量的常用工具，点列图是描述在全孔径条件下三种基础色光在各个视场“集中”的程度，点列图直径越小越好；传递函数曲线图是描述光学系统在不同视场子午和弧失方向的分辨细节能力，显然，在中间焦距段像质要优于长、短焦距的像质，但最长和最短焦距段的像质也足以满足数字工程投影机使用。

本发明在现代几何光学像差理论基础上，通过设计软件的辅助设计并结合人工数学优选及插值分析方法，充分考虑鱼眼镜头光学特性，和应用对象技术特点，从经典光学结构出发，通过繁杂的变焦核初始条件数据优化、光学结构再造和像差控制与平衡处理过程，成功发明了通用于具有不同尺寸芯片的1LCD、3LCD或1DMD类型数字投影机的变焦鱼眼镜头的结构形式，包括简约的光学结构和简约的机械结构。

根据本发明的光学结构方案,该变焦鱼眼镜头光学结构按比例进行焦距缩放，并适当调整各主要像差的匹配关系，完全可将焦距范围扩展，从而覆盖不同焦距段，以满足不同应用环境的使用要求，可适用全视场像高直径范围3mm~30mm的特定需求。即可适用更大范围的数字投影机。

本发明光学结构适用色光波长范围400nm - 700 nm。 

利用本发明方案设计出的通用型变焦鱼眼镜头，焦距可调节，即全视场像高可根据投影机芯片尺寸或者说根据芯片上的画面区域大小而变化，同一只镜头，可以在很大的范围内通用于不同技术类型和不同芯片尺寸以及芯片不同长宽比例的投影机，其等效空气中的后工作距离稳定不变，本发明焦距变化的同时，充分补偿了像面位移，兼顾补偿了不同数字投影机的引擎棱镜光程差所造成的各种像差，具有如下性能特点：各焦距段像面位置稳定，全焦距段视场角维持不变，全视场角最大可达185o，全焦距段相对孔径维持不变，最大相对孔径可以达到D′/ fn=1/1.8，其中D′为镜头结构入瞳直径，fn为对应焦距值；代表变焦能力的最大变倍比为1.5。可满足不同芯片尺寸的1LCD、3LCD或1DMD类型常见数字投影机对于整球形幕和半球形幕的投射需求。可广泛用于娱乐、天文地理教学、展览展示等领域。

Claims (8)

1.一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，包括机械结构和光学结构两部分；

机械结构包括：具有镜头的前主筒（201）、变倍筒（206）、补偿筒（208）和后主筒（210），所述的镜头前主筒（201）和后主筒（210），彼此通过安装旋转滑环（211）和可绕轴向滑动位移的柱面滑键（212）连接，在后主筒（210）上分别设有像面距调节手轮（202）和变焦调节手轮（203），又通过变焦调节手轮（203）与凸轮筒（204）连接，凸轮筒（204）上有两条螺旋线槽，凸轮筒（204）内壁与前主筒（201）及导引筒（205）外壁滑动配合，前主筒（201）通过螺纹固定连接导引筒（205），导引筒（205）上有一条直线槽，所述的变倍筒（206）和补偿筒（208）分别安装在导引筒（205）内，并和导引筒（205）滑动配合，在所述凸轮筒（204）上设有的第一滑动销钉（207）、第二滑动销钉（209）分别穿过凸轮筒（204）和导引筒（205）上的两条螺旋线槽和导引筒（205）上的直线槽，并分别滑动连接变倍筒（206）和补偿筒（208）；和

光学结构包括：具有十片透镜构成四个光学功能性镜组，依次排列为总光焦度为负的前固定镜组、总光焦度为正的变倍镜组、总光焦度为负的补偿镜组和总光焦度为正的后固定镜组，位于补偿镜组和后固定镜组之间设有孔径光栏A；所述的前固定镜组由负光焦度第一透镜（101）、负光焦度第二透镜（102）、负光焦度第三透镜（103）、正或负光焦度第四透镜（104）共四片透镜构成，所述的变倍镜组由正光焦度第五透镜（105）共一片透镜构成，所述的补偿镜组由相互胶合的正光焦度第六透镜（106）和负光焦度第七透镜（107）共两片透镜构成，所述的后固定镜组由负光焦度第八透镜（108）、正光焦度第九透镜（109）、正光焦度第十透镜（110）构成，其中第八透镜（108）和第九透镜（109）相互胶合，所述的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组、后固定镜组和孔径光栏A同轴置于机械结构中所对应的镜头前主筒（201）、变倍筒（206）、补偿筒（208）和后主筒（210）的位置。

2.根据权利要求1所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，在变倍镜组焦距等于1的规化条件下，补偿镜组的焦距范围为-1.5~-1.7；以最短焦距作为变焦初始位置，变倍镜组的轴向放大率范围为-1.3~-1.4，补偿镜组的轴向放大率范围为-1.5~-1.7，使变焦过程中变倍镜组的移动距离接近并小于补偿镜组的移动距离；在整个焦距段，后固定镜组的轴向放大率范围为-0.08~-0.14之间，后固定镜组的焦距数值总是接近并略大于整个镜头在空气中的后工作距离。

3.根据权利要求1所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组和后固定镜组的光焦度绝对值比为1：0.212：0.14：0.549；其中变倍镜组和补偿镜组的光焦度比约为3：-2；在所有焦距段，孔径光栏A前各镜组的光焦度之和总为负，孔径光栏A后各镜组的光焦度之和总为正；最长焦距处和最短焦距处，孔径光栏A前的光焦度比最大为1：1.5，孔径光栏A前后光焦度和之比的范围为-1：1.3~-1：1.95。

4.根据权利要求1所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，光学结构的第一透镜（101）、第二透镜（102）、第三透镜（103）、第四透镜（104）、第五透镜（105）、第六透镜（106）、第七透镜（107）、第八透镜（108）、第九透镜（109）、第十透镜（110）的玻璃材料依次采用：重冕系或镧冕系、重冕系或镧冕系、重冕系或镧冕系、重火石系、轻冕系或冕系、重火石系、镧冕系或重冕系、重火石系、钡冕系或重冕系、重冕系或镧冕系光学玻璃材料。

5.根据权利要求1所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，机械结构中采用凸轮筒（204）实现变焦和像面位置补偿，在不等直径的同一凸轮筒（204）上按照相同向心转角分别布置凸轮曲线槽，把变倍镜组所因循的凸轮曲线布置在凸轮筒（204）较大直径一端，将补偿镜组所因循的凸轮曲线布置在凸轮筒（204）较小直径一端，凸轮筒（204）可绕光轴旋转，凸轮曲线槽推动变倍镜组和补偿经组按照光学间隔变化规律运动，两条凸轮曲线为导程规整的标准螺旋线。

6.按权利要求1所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，对镜头光学结构按比例缩放后，结构的焦距范围发生变化，用于芯片尺寸在0.5英寸~1.8英寸，芯片长宽比为4：3和16：9的1LCD、3LCD、1DMD类型的数字投影机的整球幕和半球幕的投影使用，极限光学性能参数范围为：各个焦距段视场角不变，全视场角最大 185°；镜头在空气中的反远比最大可达12倍；各个焦距段相对孔径不变，具有最大相对孔径D′/ fn=1/1.8；变倍比为最大1.5。

7.根据权利要求1所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，光学结构中，所述的透镜工作面均设计为标准球面，其光学结构中的任一个或多个标准球面还可变为非球面，其光学成像光谱范围为：400nm-700nm。

8.根据权利要求1所述的一种通用于数字投影机的变焦投影鱼眼镜头，其特征在于，光学结构中，光学结构在焦距变化时，包括像面位移补偿和像差补偿，在较大范围内可以适应不同技术类型和不同尺寸芯片的投影机使用，镜头自身可弥补光学引擎中分光/合光棱镜组的有效出射光程长度差异而产生的像差。 

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