CN103631006B - 大变倍比连续变焦投射镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大变倍比连续变焦投射镜头，其光学系统透镜由具有调焦组、变倍组、第一补偿组、第二补偿组以及后固定组组成，其沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序排列,光阑位于第二补偿组上。调焦是通过调焦组的前后移动来实现，变焦是通过变倍组、第一补偿组和第二补偿组从广角端到远摄端沿光轴同向移动来实现，在变焦过程中，投影画面始终保持清楚，从镜头第一面到像面总的距离保持不变，镜头中的透镜全部采用国内使用频度较高的玻璃制作，且均为球面透镜，成本低、工艺性好，适应批量生产，可广泛以应用于微型投影领域。

Description

大变倍比连续变焦投射镜头

技术领域

本发明属于于数字投影机技术领域，是应用在LED光源的数字投影仪上，与远心照明光路配合使用的大变倍比连续变焦投射镜头。

背景技术

随着半导体技术的发展和深入，LED光源数字投影显示技术得到了发展的春天，基于LED、光源以DLP、LCOS、LCD等技术为主的投影显示产业得到了迅速发展。近几年，LED光源投影显示技术凭借其丰富的色彩、高清晰的画面、高亮度的图像及高对比度的显示得到迅速发展，它可以实现体积更小、重量更轻和超长寿命的产品特性，特别是在微型投影投影技术领域，其优势无可比拟。

基于LED光源的微型投影机在应用方面面临的突出问题就是亮度不高，经过这几年的发展，微型投影机的亮度已经从最初的几十流明提升到500流明， TI公司还专门制造出针对微型投影领域的高清微型投影芯片，采用了全新的封装方式，这样可有效增大系统的光圈，以提升应用DMD芯片微型投影机的亮度。尽管如此，在实际使用中还会受到应用环境的限制，特别是白天的时候需要采取一些挡光措施，或者把投影机移近屏幕，观看较小的投射画面，才能保证较好的观赏效果。

连续变焦投射镜头可以保证变焦过程中投影画面始终清楚，颇受各大厂商青睐。在现有公开的连续变焦投射镜头技术中，一部分应用了非球面技术， 即在变焦投射镜头的光学系统中通过加入非球面透镜来改善系统的成像质量或简化系统结构，但非球面透镜的应用对其加工和装配要求严格，不利于生产效率的提高和成本的降低；而在没有采用非球面透镜的技术中，为了达到较好的光学性能， 其技术措施一般是增加透镜的数量，或是采用高折射率或高色散系数的高档光学材料，例如对像差有显著改善的 FCD1 之类的材料，其价格昂贵、工艺性差、加工效率和成品率很低。中国专利100345188C给出的连续变焦投射镜头的变倍比仅有1.2倍，采用13片球面透镜，使用了折射率大于1.9的ZLAF4、ZF14等重镧火石玻璃或重火石玻璃；美国专利 7177090 技术公开的一种连续变焦投影镜头中，所采用透镜数量达到 15 片， 其中还有一块双面非球面透镜，因而也同样存在造价高、工效低等问题。同时由于投影镜头多采用固定光阑，变焦过程中光圈值会随焦距增大降低，变焦过程会产生能量损失。

发明内容

为解决不同环境条件下，无需移动投影机，只需要通过电力驱动改变投射画面大小，以获得较佳的观赏效果的问题，本发明的目的是提供一种能够与具备远心照明光路的LED光源数字投影机配合使用，且结构紧凑、性价比高、实现变焦过程光圈变化较小、适合批量生产要求的大变倍比连续变焦投射镜头。

为达到这样的目的，本发明所提供的技术方案是：该大变倍比连续变焦投射镜头，具有光学系统透镜组，其特征在于： 所述光学系统透镜组沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序依次由具有负光焦度的调焦组、正光焦度的变倍组、正光焦度的第一补偿组、负光焦度的第二补偿组和正光焦度的后固定组组成，所述调焦组从屏幕侧向像面方向由第一正透镜、第一负透镜和第二负透镜组成；所述变倍组从屏幕侧向像面方向由第二正透镜、 第三正透镜组成；第一补偿组由第四正透镜和第三负透镜组成；第二补偿组从屏幕侧向像面方向由第四负透镜、第五负透镜、第五正透镜和第六正透镜组成；后固定组由第七正透镜组成；光阑位于第二补偿组上，且位于第二补偿组靠近屏幕侧；变倍组的组合焦距为f2, 第一补偿组的组合焦距为f3, 第二补偿组的组合焦距为f4，后固定组的组合焦距为f5，满足下列关系：

f2×f3×f4<0

0.2<|f2/f4|<0.5

0.2<|f3/f4|<0.5

|f5/f4|<0.65

所述广角端焦距为F1、F数为N1，远摄端焦距为F2、F数为N2，满足下列关系：

F1>15mm，0.4<F1/F2<0.625

N1<2.0，1<N2/N1<1.2

所述第四正透镜由镧冕玻璃构成，第三负透镜由重镧火石玻璃构成，两者组成双胶合透镜；所述第五负透镜由重火石玻璃构成，第五正透镜由镧冕玻璃构成，两者组成双胶合透镜。

所述光学系统透镜组中各透镜采用球面透镜。

采用上述技术方案的有益效果：该大变倍比连续变焦投射镜头通过7片正透镜和5片负透镜的配合，有效平衡轴外视场的像差，才促成了三群透镜组同向移动实现连续变焦的可能。为抑制像面漂移，第七正透镜在整个变焦过程中始终保持固定，作为场镜，将前方入射的光线汇聚到理想像面上。为保证变焦过程中始终保持像方远心，光圈产生较小变化，长焦状态损失较少亮度，将系统光阑设置在第二补偿组最靠近屏幕侧，变焦过程其随第二补偿组移动，从而确保入射光瞳直径的变化速度远低于系统焦距的变化速度，出射光瞳始终处于近似无限远的位置，有针对性的控制第二补偿组和后固定组的光焦度，使其满足：|f5/f4|<0.65。对光线具有发散作用的调焦组将远距离的物成像在变倍组的物方2倍焦距附近的位置，使变倍组处于放大率为-1的位置附近， 这样有利于为实现一定的变焦比不至于透镜组的移动距离过长而增加系统的总长。同时光线经过变倍组在光轴上的成像位置，就在第一补偿组、第二补偿组和后固定组的组合焦点附近，这样使得镜头结构紧凑，远心度高。

本发明的优点在于：

1、系统中采用所有透镜工艺性较好，所有透镜定心系数>0.10,因而提高了透镜及变焦镜头的加工简易性，提高了产品成品率和生产效率，更适应批量生产；

2、系统以不多于12片的球面透镜组合构成整个系统，实现1.6倍以上连续光学变焦并保证2.0以上的光圈数，全部采用国内使用频次较多常规的光学材料，产品成本低；

3、系统通过三个透镜组的移动实现变焦，合理分配三透镜组光焦度，有效避免大变倍比带来的透镜组移动升角过大问题，变焦过程平滑稳定；

4、系统通过后固定组实现像方远心，保证像面稳定，从而实现焦距变化范围内成像质量基本一致，并能保持较髙水准的像差矫正，避免因焦距变化造成像面漂移；

5、本发明具有结构紧凑、调焦变倍方便、投影图象清晰等特点。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。

图1是本发明变焦镜头短焦的光学系统图。

图2是本发明变焦镜头长焦的光学系统图。

图3是本发明变焦镜头在短焦的光线轨迹图。

图4是本发明变焦镜头在长焦的光线轨迹图。

图5是本发明变焦镜头在短焦的场曲曲线图。

图6是本发明变焦镜头在短焦的畸变曲线图。

图7是本发明变焦镜头在长焦的场曲曲线图。

图8是本发明变焦镜头在长焦的畸变曲线图。

图9是本发明变焦镜头在短焦的传递函数曲线图。

图10是本发明变焦镜头在长焦的传递函数曲线图。

图11是本发明变焦镜头在短焦的垂轴像差曲线图。

图12是本发明变焦镜头在长焦的垂轴像差曲线图。

图13是本发明变焦镜头在短焦的点列图。

图14是本发明变焦镜头在长焦的点列图。

图15是本发明变焦镜头变倍组、第一补偿组、第二补偿组的变倍曲线。

具体实施方式

如图1所示的大变倍比连续变焦投射镜头，具有12片光学透镜，从屏幕侧到像平面侧依次为双凸的第一正透镜L1、正弯月的第一负透镜L2、双凹的第二负透镜L3组成、负弯月的第二正透镜L4、正弯月的第三正透镜L5、双凸的第四正透镜 L6、负弯月的第三负透镜L7、双凹的第四负透镜 L8、双凹的第五负透镜 L9、双凸的第五正透镜 L10、双凸的第六正透镜L11和双凸的第七正透镜 L12。其中，第一正透镜L1、第一负透镜L2、第二负透镜L3构成调焦组U1，其组合焦距为负；第二正透镜L4、第三正透镜 L5构成成变倍组U2，变倍组总的焦距为正；第四正透镜 L6、第三负透镜L7组成的胶合透镜为第一补偿组U3，其组合焦距为正，分别选用镧冕玻璃和重镧火石玻璃，用于校正系统色差和像散；第四负透镜 L8、第五负透镜 L9、第五正透镜 L10和第六正透镜L11构成第二补偿组U4，其组合焦距为负，所述的第五负透镜 L9和第五正透镜 L10组成胶合透镜，分别选用重火石玻璃构和镧冕玻璃；第七正透镜L12为后固定组，主要用于维持像面稳定。

参看图1和图2，图1是镜头为短焦距时透镜的位置示意图，图2是镜头为长焦距时透镜的位置示意图，系统通过变倍组U2、第一补偿组U3和第二补偿组U4的移动实现变焦功能，镜头焦距从短焦（端？）变化到长焦（端？），变倍组U2、第一补偿组U3和第二补偿组U4均沿从像平面侧向屏幕侧移动，三者的移动曲线可参看图13。镜头系统的光阑设置在第二补偿组U4最靠近屏幕侧，变焦过程其随第二补偿组U4移动，是光阑始终处于补偿组U4和后固定组U5形成的组合透镜的前焦平面上，保证入射光瞳直径的变化速度远低于系统焦距的变化速度，出射光瞳始终处于近似无限远的位置，使整个镜头在变焦过程中始终保持像方远心光路，光圈发生较小变化。变倍组U2、第一补偿组U3、第二补偿组U4和后固定组U5的焦距分别为f2、f3、f4和f5，保证四者满足下列不等式：f2×f3×f4<0、0.2<|f2/f4|<0.5、0.2<|f3/f4|<0.5、|f5/f4|<0.65，合理分配光焦度，避免大变比镜头升角过大问题，实现1.6倍以上平滑连续变焦。若不能满足上述关系，其他位置的像差、远心度及光圈等则很难保持平衡。

本发明的大变倍比连续变焦投射镜头的镜头焦距f=18mm~35mm，F数=1.75~2.1，像面直径Ø16mm，详细参数如下：

Surf	Radius	Thickness	Nd	Vd
					1	75.0	5.4	1.72	37.99
2	-349.1	0.2
					3	61.6	4.0	1.62	60.27
4	22.0	6.4
					5	-59.6	1.0	1.70	55.46
6	36.3	27.8 ~ 7.8
					7	-140.6	3.2	1.62	60.27
8	-47.3	0.2
					9	48.0	3.8	1.85	23.78
10	167.3	9.3 ~ 3.7
					11	Infinity	2.0
12	32.0	8.0	1.80	34.97
					13	-26.7	6.9	1.70	55.46
14	-75.5	1.5 ~ 9.4
					STO	Infinity	0.2
16	-250.0	1.0	1.78	25.76
					17	23.0	2.6
18	Infinity	5.5
					19	-11.0	1.0	1.70	55.46
20	35.3	5.3	1.81	25.38
					21	-17.8	0.2
22	258.0	3.5	1.85	23.78
					23	-36.6	0.4 ~ 17.5
24	45.0	4.9	1.74	44.72
					25	-112.8	3.0
26	Infinity	19.5	1.52	64.12
					27	Infinity	4
28	Infinity	0.7	1.52	64.12
					29	Infinity	0.3
IMA	Infinity

从上表可以看出，系统中透镜全部选择国内使用频次较高的光学玻璃，其定心系数全部在0.1以上，成本低、工艺性好，适合大批量生产。

参看图3、图4，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦的光线轨迹图；图3是短焦的光线轨迹图，图4是长焦的光线轨迹图。

参看图5、6和图7、8，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦的场曲和畸变曲线图，图5、6是短焦的场曲和畸变曲线图，图7、8是长焦的场曲和畸变曲线图。

参看图9、图10，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦在65lp/mm的传递函数曲线图，图7是短焦的传递函数曲线图，图8是长焦的传递函数曲线图。

参看图11、图12，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦的垂轴像差曲线图，图9是短焦的垂轴像差曲线图，图10是长焦的垂轴像差曲线图。

参看图13、图14，是本发明的变焦镜头在短焦、长焦的点列图，图14是短焦的点列图，图15是长焦的点列图。

本发明镜头是配合TI公司0.45”高清微型投影机芯片使用，分辨率达到1280X800，从上述图片看出该镜头成像清晰，可靠性高。

参看图15是变倍组U2、第一补偿组U3、第二补偿组U4的变倍曲线，可以看出变焦曲线平滑稳定，无变焦升角过大问题。

Claims (4)

1.一种大变倍比连续变焦投射镜头，具有光学系统透镜组，其特征在于： 所述光学系统透镜组沿光轴从屏幕侧向像平面侧的顺序依次由具有负光焦度的调焦组、正光焦度的变倍组、正光焦度的第一补偿组、负光焦度的第二补偿组和正光焦度的后固定组组成，所述调焦组从屏幕侧向像面方向由第一正透镜、第一负透镜和第二负透镜组成；所述变倍组从屏幕侧向像面方向由第二正透镜、 第三正透镜组成；第一补偿组由第四正透镜和第三负透镜组成；第二补偿组从屏幕侧向像面方向由第四负透镜、第五负透镜、第五正透镜和第六正透镜组成；后固定组由第七正透镜组成；光阑位于第二补偿组上，且位于第二补偿组靠近屏幕侧；变倍组的组合焦距为f2, 第一补偿组的组合焦距为f3, 第二补偿组的组合焦距为f4，后固定组的组合焦距为f5，满足下列关系：

f2×f3×f4<0

0.2<|f2/f4|<0.5

0.2<|f3/f4|<0.5

|f5/f4|<0.65。

2.根据权利要求1所述的大变倍比连续变焦投射镜头，其特征在于：所述光学系统透镜组的广角端焦距为F1、F数为N1，远摄端焦距为F2、F数为N2，满足下列关系：

F1>15mm，0.4<F1/F2<0.625

N1<2.6，1<N2/N1<1.2。

3.根据权利要求1所述的大变倍比连续变焦投射镜头，其特征在于：所述第四正透镜由镧冕玻璃构成，第三负透镜由重镧火石玻璃构成，两者组成双胶合透镜；所述第五负透镜由重火石玻璃构成，第五正透镜由镧冕玻璃构成，两者组成双胶合透镜。

4.根据权利要求1所述的大变倍比连续变焦投射镜头，其特征在于：

所述光学系统透镜组中各透镜采用球面透镜。