CN103033908A

CN103033908A - 一种广角投影物镜

Info

Publication number: CN103033908A
Application number: CN 201110292591
Authority: CN
Inventors: 张品祥; 刘治新; 吴中雄
Original assignee: SHANGHAI SANXIN TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI SANXIN TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd; SHANGHAI SANXIN Tech DEV CO Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明涉及一种广角投影物镜，其包括具有正光焦度的第一透镜组，具有正光焦度的第二透镜组，位于上述第一透镜组和第二透镜组之间的光阑及一显示芯片。上述第一透镜组的出瞳与第二透镜组的入瞳重合，同一视场点的光线在光阑处彼此平行，第二透镜组的物方焦点和光阑重合，使得在显示芯片上各视场的主光线与光轴平行，并行成像方远心光路。根据本发明的广角投影物镜实现了系统的小型化，同时结构紧凑简单、公差适中、工艺性良好、像方远心等一系列优点。

Description

一种广角投影物镜

技术领域

本发明是涉及一种广角投影物镜，尤其涉及像方远心，机构紧凑的广角投影物镜。

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，向广角化发展是必然的。

广角投影物镜是从照相机鱼眼镜头发展过来的，其继承了鱼眼镜头大视场角的优点，同时也继承了其固有的缺点，如像方非远心、镜头片数较多、结构复杂，公差严格，工艺适应性差及长度过长等。在公开号为CN101414049专利中公开了一种实现100°至120°的大视场角，但明具有如下缺陷：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

本发明为了有效的改善上所述广角投影物镜具有的缺点，提出了一种新的广角投影物镜，在具有广角优点同时，也具有结构紧凑简单、公差适中、工艺性良好、像方远心等优点。

为了达到上述目的，根据本发明的一种广角投影物镜，其特征在于包括：具有正光焦度的第一透镜组10；具有正光焦度的第二透镜组20；位于第一透镜组10和第二透镜组20之间的光阑STOP及一个显示芯片SI。

上述第一透镜组10的出瞳与第二透镜组20的入瞳重合，同一视场点的光线在光阑STOP处彼此平行，第二透镜组20的物方焦点和光阑STOP重合，使得在显示芯片SI上各视场的主光线与光轴平行，并行成像方远心光路。

上述第一透镜组10包括两个子透镜组，其中第一子透镜组11具有负光焦度，设置于靠近投影面，第二子透镜组12具有正光焦度，设置于靠近光阑STOP，第一子透镜组11和第二子透镜组12成反摄远式结构。

上述第一透镜组10的第一子透镜组11至少由三片负光焦度弯月型镜片组成，其中至少有一片为非球面镜片。

上述第一透镜组10的第二子透镜组12，至少由一片正光焦度镜片组成。

上述第二透镜组20包含两个子透镜组，其中第一子透镜组21具有正光焦度，设置于靠近光阑STOP，第二子透镜组22具有正光焦度，设置于靠近显示芯片SI。

上述第二透镜20的第一子透镜组21，至少由一片正光焦度镜片和一片负光焦度镜片组成，正光焦度镜片和负光焦度镜片构成双胶合镜片组。

上述第二透镜组20的第二子透镜组22，至少由三片正光焦度镜片组成，所述的正光焦度镜片中最大光焦度Φ_max和最小光焦度Φ_min满足以下列不等式：0.5<Φ_min/Φ_max。

上述第一透镜组10的光焦度为Φ₁，第二透镜组20的光焦度为Φ₂，并满足下列不等式：0.32<Φ₁/Φ₂<0.44。

上述广角投影物镜总光焦度为Φ，物镜总长度（不含像距）为L,并满足下列不等式：10<Φ*L<14。

上诉第一透镜组的第一子透镜组光焦度为Φ₁₁，第二子透镜组光焦度为Φ₁₂，并满足下列不等式：0.4<|Φ₁₁/Φ₁₂|<0.6。

上述第一透镜组10的光焦度为Φ₁，第二透镜组20的光焦度为Φ₂，Φ₁/Φ₂=0.38。

上述广角投影物镜总光焦度为Φ，物镜总长度（不含像距）为L, Φ*L=11：

上述第一透镜组10的第一子透镜组11光焦度为Φ₁₁，第二子透镜组12光焦度为Φ₁₂，|Φ₁₁/Φ₁₂|=0.48。

上述的广角投影物镜中，当第一透镜组10的第二子透镜组12镜片材料选择为火石玻璃，则第二透镜组20的第一子透镜组21中的负光焦度镜片材料选择为火石玻璃，正光焦度镜片材料选择为冕牌玻璃；或当第一透镜组10的第二子透镜组12镜片材料选择为冕牌玻璃，则第二透镜组20的第一子镜组21的负光焦度镜片材料选择为冕牌玻璃，正光焦度镜片材料选择为火石玻璃，第二透镜组20的第二子透镜组22所有镜片材料均选择为冕牌玻璃。

附图说明

图1为根据本发明的投影物镜结构示意图。

图2为根据本发明的投影物镜专递函数MTF值示意图。

图3是根据本发明的物镜的不同各视场角的显示芯片SI的光线点列图。

图4是根据本发明的广角投影物镜的场曲与畸变示意图图。

图5是根据本发明实施例所描述的广角投影物镜的垂轴色差示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的广角投影物镜包含以下部分：具有正光焦度的第一透镜组10;光阑STOP;具有正光焦度的第二透镜组20；显示芯片(像面)SI。

上述广角投影物镜光焦度为Φ，总长度（不含像距）为L,第一透镜组10光焦度为Φ₁，第二透镜组20光焦度为Φ₂.它们之间应满足以下关系：

判据1：0.32<Φ₁/Φ₂<0.44

判据2：10<Φ*L<14

判据1表明合理的分配第一透镜组10和第二透镜组20的光焦度，目的在于使得光焦度在两组透镜组间尽量分配均匀，各透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，大多数公差严格的广角投影镜头光阑STOP前组与后组光焦度比值都小于0.32。

判据2表明广角投影镜头合理的长度与焦距有关，即合理的镜头长度是焦距的10倍到14倍之间，如果镜头长度小于焦距10倍，那么镜头将变得难以设计和制造，如果镜头长度大于14倍，使得投影设备体积过大，不利于市场竞争。

上述第一透镜组10为反摄式结构，包含具有负光焦度的第一子透镜组11和正光焦度的第二透镜组12，第一子透镜组11光焦度Φ₁₁和第二子透镜组光焦度Φ₁₂满足以下条件：

判据3：0.4<|Φ₁₁/Φ₁₂|<0.6

判据3表明第一子透镜组的光焦度如果太大，不满足判据3的左则判据，则会导致第一片镜片口径过大，弯曲程度剧烈，甚至于无法加工第一片镜片。如果第一子透镜组光焦度过小，不满足判据3的右则判据，则会导致镜头的视场角缩小。所以判据3是平衡视场角和镜头工艺性的根据。

第一子透镜组第二片为非球面镜片，其主要作用是校正畸变，广角镜头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。非球面镜片越靠近投影面校正畸变效果越理想，但是不能安排为第一片镜片，主要有以下原因：非球面镜片口径加大，增加成本和加工难度高；非球面镜片一般为塑料注塑成型，所以暴露在外界容易划伤塑料镜片。第一子透镜组11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以下关系：

Φ₁₁₁:Φ₁₁₂:Φ₁₁₃≈2:1:4

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，使得塑料非球面不能通过开模注塑生产，所以畸变欠校正即可。

第二透镜组20包含两个子透镜组21和22，21为具有负光焦度的镜片和具有正光焦度的镜片的胶合镜，主要作用是与第一透镜组10的第二子透镜组12成消色差功能。22包含三片镜片，其作用是聚焦光束并形成远心光路，为了使得第二透镜组具有良好的公差，22三片镜片的光焦度满足以下关系：

Φ₂₂₁:Φ₂₂₂:Φ₂₂₃≈1:2:1

表1是根据本发明的广角投影物在镜在波长为460nm-660nm，全视场角为90°，有效焦距为8.33mm，像方F/#为2.3下的结构数据：

表1

Figure 2011102925910100002DEST_PATH_IMAGE001

第一透镜组10的靠近投影第二镜片为非球面镜片，非球面镜面的表面可以表示为公式1，其中Z 表面失高，c 顶点曲率半径，r 表面垂轴坐标，k 圆锥系数，a1至a5为非球面系数。表2为根据根据公式1的本发明实施例数据。

公式1

Figure 2011102925910100002DEST_PATH_IMAGE002

表2

面序	3
		K	1.093541
a1	0
		a2	2.06E-05
a3	-5.75E-07
		a4	1.08E-10
a5	-4.97E-13
		面序	4
k	-4.088469
		a1	0
a2	3.04E-05
		a3	-1.93E-09
a4	-4.14E-09
		a5	2.48E-12

图2是根据本发明实施例的广角投影物镜的各视场显示芯片SI传递函数MTF值示意图。此传递函数值以投影设备投影距离600mm、投影屏幕40寸为判断情况，以投影屏幕物高为视场取样，横坐标为空间频率坐标，纵坐标为传递函数MTF值。以0.4寸，1000*800像素显示芯片SI为例，投影物镜在显示芯片SI的MTF值应达到66线对0.1以上。

图3是根据本发明的广角投影物镜的不同各视场角的显示芯片SI的光线点列图。广角投影物镜的0度、20度、35度、45度，每以小格代表10μm。以0.4寸，以1000*800像素显示芯片SI为例，投影物镜各视场点在显示芯片SI的点列图应达到8μm以下。

图4是根据本发明的广角投影物镜的场曲与畸变示意图。红色线条代表红光，绿色线条代表绿光，蓝色色线条代表蓝光。投影物镜场曲应小于其焦深，在本实施例中应小于0.15mm投影物镜畸变应小于2%，不会被人眼所察觉。

图5是根据本发明的广角投影物镜的垂轴色差示意图。红色线条代表红光，绿色线条代表绿光，蓝色线条代表蓝光。垂轴色差应小于艾利光斑，在本实施例中应小于5μm。

根据本发明的广角投影物镜，各镜片的材料安排如下：

第一透镜组10的镜片材料使用火石玻璃或冕牌玻璃，其中最靠近投影面的镜片采用折射率高的材料，优选为镧系高折射率的冕牌材料。

第一透镜组10的第二子透镜组12的镜片、第二透镜组20的第一子透镜组21的镜片是整个镜头消色差的关键所在，其玻璃材料安排分为以下两种情况：

当第一透镜组10的第二子透镜组12镜片为火石玻璃，第二透镜组20的第一子透镜组中靠近光阑STOP的负光焦度镜片为火石玻璃、靠近显示芯片SI的正光焦度镜片为冕牌玻璃；

当第一透镜组10的第二子透镜组12镜片为冕牌玻璃，第二透镜组20的第一子透镜组中靠近光阑STOP的负光焦度镜片为冕牌玻璃、靠近显示芯片SI的正光焦度镜片火石玻璃。

而第二透镜组20的第二子透镜组22的镜片均为低色散得冕牌玻璃。

Claims

1.一种广角投影物镜，其特征在于，包括：具有正光焦度的第一透镜组（10）；具有正光焦度的第二透镜组（20）；位于第一透镜组(10)和第二透镜组(20)之间的光阑（STOP）；及一个显示芯片(SI)。

2.如权利要求1 所述的广角投影物镜，其特征在于，第一透镜组(10)的出瞳与第二透镜组(20)的入瞳重合，同一视场点的光线在光阑(STOP)处彼此平行，第二透镜组(20)的物方焦点和光阑(STOP)重合，使得在显示芯片（SI）上各视场的主光线与光轴平行，并行成像方远心光路。

3.如权利要求1所述的广角投影物镜，其特征在于，第一透镜组（10）包括两个子透镜组，其中第一子透镜组（11）具有负光焦度，设置于靠近投影面，第二子透镜组（12）具有正光焦度，设置于靠近光阑（STOP），第一子透镜组(11)和第二子透镜组(12)成反摄远式结构。

4.如权利要求3所述的广角投影物镜，其特征在于，第一透镜组（10）的第一子透镜组（11）至少由三片负光焦度弯月型镜片组成，其中至少有一片为非球面镜片。

5.如权利要求3所述的广角投影物镜，其特征在于，第一透镜组（10）的第二子透镜组（12），至少由一片正光焦度镜片组成。

6.如权利要求1所述广角投影物镜，其特征在于，第二透镜组（20）包含两个子透镜组，其中第一子透镜组（21）具有正光焦度，设置于靠近光阑（STOP），第二子透镜组（22）具有正光焦度，设置于靠近显示芯片(SI)。

7.如权利要求6所述的广角投影物镜，其特征在于，第二透镜（20）的第一子透镜组（21），至少由一片正光焦度镜片和一片负光焦度镜片组成，正光焦度镜片和负光焦度镜片构成双胶合镜片组。

8.如权利要求6所述的广角投影物镜，其特征在于，第二透镜组（20）的第二子透镜组（22），至少由三片正光焦度镜片组成，所述的正光焦度镜片中最大光焦度Φ_max和最小光焦度Φ_min满足以下列不等式：0.5<Φ_min/Φ_max。

9.如权利要求1所述的广角投影物镜，其特征在于，第一透镜组(10)的光焦度为Φ₁，第二透镜组（20）的光焦度为Φ₂，并满足下列不等式：0.32<Φ₁/Φ₂<0.44。

10.如权利要求1所述的广角投影物镜，其特征在于，广角投影物镜总光焦度为Φ，物镜总长度（不含像距）为L,并满足下列不等式：10<Φ*L<14。

11.如权利要求3所述的广角投影物镜，其特征在于，上诉第一透镜组（10）的第一子透镜组（11）光焦度为Φ₁₁，第二子透镜组（12）光焦度为Φ₁₂，并满足下列不等式：0.4<|Φ₁₁/Φ₁₂|<0.6。

12.如权利要求1所述的广角投影物镜，其特征在于，第一透镜组(10)的光焦度为Φ₁，第二透镜组（20）的光焦度为Φ₂，Φ₁/Φ₂=0.38。

13.如权利要求1所述的广角投影物镜，其特征在于，广角投影物镜总光焦度为Φ，物镜总长度（不含像距）为L, Φ*L=11。

14.如权利要求3所述的广角投影物镜，其特征在于，上述第一透镜组（10）的第一子透镜组（11）光焦度为Φ₁₁，第二子透镜组（12）光焦度为Φ₁₂，|Φ₁₁/Φ₁₂|=0.48。

15.如权利要求3所述的广角投影物镜，其特征在于，上述第二透镜组（20）包含两个子透镜组，其中第一子透镜组（21）具有正光焦度，设置于靠近光阑(STOP)，第二子透镜组（22）具有正光焦度，设置于靠近显示芯片(SI)，其构成材料为：当第一透镜组（10）的第二子透镜组（12）镜片材料选择为火石玻璃，则第二透镜组（20）的第一子透镜组（21）中的负光焦度镜片材料选择为火石玻璃，第二透镜组（20）的第二子透镜组（21）中的正光焦度镜片材料选择为冕牌玻璃。

16.如权利要求3所述的广角投影物镜，其特征在于，上述第二透镜组（20）包含两个子透镜组，其中第一子透镜组（21）具有正光焦度，设置于靠近光阑（STOP），第二子透镜组（22）具有正光焦度，设置于靠近显示芯片（SI），其构成材料为：第一透镜组（10）的第二子透镜组（12）镜片材料选择为冕牌玻璃，第二透镜组（20）的第一子镜组（21）中的负光焦度镜片材料选择为冕牌玻璃，第二透镜组（20）的第二子透镜组（21）中的正光焦度镜片材料选择为火石玻璃。