CN103913825B - 一种超短焦投影镜头 - Google Patents

Abstract

一种超短焦投影镜头，它包括DMD芯片，它还包括位于投射面和DMD芯片之间的若干个同轴排布的透镜，所述透镜从投射面到DMD芯片的排布顺序依次是第一非球面透镜、平凹透镜、弯月透镜、平凸透镜、第二非球面透镜、第一双胶合透镜、第一凸透镜、第二双胶合透镜、第二凸透镜和场镜。所述DMD芯片相对于光轴偏置放置，偏置放置距离为0.9mm到1.0mm之间；所DMD芯片为0.65英寸，分辨率为1920×1080。所述第一非球面透镜为塑料偶次曲面镜片。所述第二非球面透镜为偶次曲面塑胶镜片。本发明型提供一款视场为120°，畸变小于2%，投射比为0.45，焦距为6.8mm的高分辨率超短焦投影镜头。此镜头是一款结构简单，无特殊材料的超广角成像物镜。

Description

一种超短焦投影镜头

技术领域

本发明属于光电显示行业中的投影技术，尤其涉及一种使用于1920×1080高分辨率投影仪的光学超短焦投影镜头。

背景技术

目前市面上出现的短焦投影仪有两种形式，一种为反射式投影仪，该工作原理是在短焦投影镜头前面加一块非球面反光镜面，经过反射后投影到屏幕。这种技术的缺点在于结构复杂，非球面反射镜的成本相对较高。而另一种为普通短焦投影镜头，但该类镜头的分辨率较低。

目前的投影镜头为了提高投影的画面质量，一般设计的镜头焦距均较长，但其视角却很小；众所周知，焦距越短，视角越大，因光学原理产生的畸变也就越强烈。随着电子技术的飞速发展，人们对高清投影器材的需求也日益旺盛。传统的长焦距、视角窄的投影镜头无论从尺寸还是投影画面质量均难以满足需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种超短焦投影镜头，它具有结构简单、高分辨率和超广角低畸变的优点。

本发明是这样来实现的，根据超广角的成像特点，确定为负组在前，正组在后的分离“反远距”型物镜，根据此结构型式来选择相近结构的镜头作为初始结构，然后通过适当的焦距缩放和像差的优化设计，最终得到像质优良的短焦距投影物镜。

本发明采用的结构是：超短焦投影镜头包括位于投射面和DMD芯片之间的若干个同轴排布的透镜，所述透镜从投射面到DMD芯片的排布顺序依次是第一非球面透镜、平凹透镜、弯月透镜、平凸透镜、第二非球面透镜、第一双胶合透镜、第一凸透镜、第二双胶合透镜、第二凸透镜和场镜。

并且，所述DMD芯片相对于光轴偏置放置，偏置放置距离为0.9mm到1.0mm之间，以满足该投影物镜在正投影工作时出射画面向上偏置为110%；所DMD芯片为0.65英寸、分辨率为1920×1080。优选的是：所述DMD芯片相对于光轴的偏置放置距离为0.93mm。

并且，所述第一非球面透镜的焦距介于-35mm与-45mm之间；所述平凹透镜的焦距介于-25mm与-35mm之间；所述弯月透镜的焦距介于-330mm与-380mm之间；所述平凸透镜的焦距介于45mm与55mm之间；所述第二非球面透镜的焦距介于-25mm与-35mm之间；所述第一双胶合透镜的焦距介于75mm与85mm之间；所述第一凸透镜的焦距介于15mm与25mm之间；所述第二双胶合透镜的焦距介于-20mm与-30mm之间；所述第二凸透镜的焦距介于15mm与25mm之间；所述场镜的焦距介于45mm与65mm之间。

并且，所述第一非球面透镜的折射率介于1.5与1.6之间；所述平凹透镜的折射率介于1.55与1.65之间；所述弯月透镜的折射率介于1.75与1.85之间；所述平凸透镜的折射率介于1.45与1.55之间；所述第二非球面透镜的焦距介于1.5与1.6之间；所述第一双胶合透镜中，靠近第二非球面透镜的一片透镜折射率介于1.75与1.85之间，另一片透镜的折射率介于1.75与1.85之间；所述第一凸透镜的折射率介于1.45与1.55之间；所述第二双胶合透镜中，靠近第一凸透镜的一片透镜的折射率介于1.45与1.55之间，另一片透镜的折射率介于1.75与1.85之间；所述第二凸透镜的折射率介于1.45与1.55之间；所述场镜的折射率介于1.55与1.65之间。

优选的是：所述透镜除第一非球面透镜和第一双胶合透镜外的均为光学玻璃。所述第一非球面透镜为塑料偶次曲面镜片。所述第一双胶合透镜为偶次曲面塑胶镜片。

本发明的有益效果为：本发明型提供一款视场为120°，畸变小于2%，投射比为0.45，焦距为6.76mm的高分辨率超短焦投影镜头。此镜头是一款结构简单，无特殊材料的超广角成像物镜。经上述透镜系统后在1m处形成对角线为2.4m的像面。本发明是基于光学成像原理，使用光学设计软件对短焦投影物镜反复地进行结构的修改来达到像差的优化设计，最终实现了短距离内投射出大画面，同时保证成像质量达到最佳要求。该投影物镜在没有复杂的非球面反射镜的帮助下达到了120度的视场，使用偏置放置DMD，可以实现在1米距离内投射出100英寸的高清画面。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明投影镜头的MTF曲线图。

图3是本发明投影镜头的点列图。

图4是本发明投影镜头的场曲和畸变图。

图5为本发明投影镜头的DMD放置位置图。

在图中，1、第一非球面透镜 2、平凹透镜 3、弯月透镜 4、平凸透镜 5、第二非球面透镜 6、第一双胶合透镜 7、第一凸透镜 8、第二双胶合透镜 9、第二凸透镜 10、场镜 11、DMD芯片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明所采用的透镜除第一非球面透镜1和第一双胶合透镜外6的均为光学玻璃，所述第一非球面透镜1为塑料偶次曲面镜片。所述第一双胶合透镜6为偶次曲面塑胶镜片。超短焦投影镜头包括位于投射面和DMD芯片11之间的若干个同轴排布的透镜，所述透镜从投射面到DMD芯片11的排布顺序依次是第一非球面透镜1、平凹透镜2、弯月透镜3、平凸透镜4、第二非球面透镜5、第一双胶合透镜6、第一凸透镜7、第二双胶合透镜8、第二凸透镜9和场镜10。从图1中可以看出本发明结构简单，易于装调的特点。其中，DMD芯片11为德州仪器0.65英寸DMD芯片，分辨率为1920×1080，可适配于各种高清投影仪。DMD投影芯片上的画面经上述透镜系统后在1m处形成2.4m的画面。

本发明应用“反远距”型物镜为初始结构，然后再进行优化设计出短焦投影镜头。其中，第一非球面透镜1为非球面透镜，第一片非球面近似于曲率69.7mm，第二面近似于曲率27.1mm；平凹透镜2中一面为平面，另外一面为曲率19mm的凹面；弯月透镜3为两面曲率分别为40mm和60mm曲率的弯月型透镜；平凸透镜4第一面曲率27mm第二面为平面；第二非球面透镜5的第一面约等效为曲率45.7mm，第二面等效约为20mm的非球面；第一双胶合透镜6第一面的曲率为25.1mm第二面为平面，第三面曲率为30mm；第一凸透镜7两面的曲率分别为21.6mm和17.6mm；第二双胶合透镜8的三面曲率分别为30.3mm、13.5mm和19.4mm；第二凸透镜9的两面曲率分别为22.8mm和23.7mm；场镜10为平凸透镜，第一面曲率为37mm，第二面为平面；

并且，各个透镜的焦距和折射率也是特定的，其中第一非球面透镜1的焦距介于-35mm与-45mm之间；平凹透镜2的焦距介于-25mm与-35mm之间；弯月透镜3的焦距介于-330mm与-380mm之间；平凸透镜4的焦距介于45mm与55mm之间；第二非球面透镜5的焦距介于-25mm与-35mm之间；第一双胶合透镜6的焦距介于75mm与85mm之间；第一凸透镜7的焦距介于15mm与25mm之间；第二双胶合透镜8的焦距介于-20mm与-30mm之间；第二凸透镜9的焦距介于15mm与25mm之间；场镜10的焦距介于45mm与65mm之间；

第一非球面透镜1的折射率介于1.5与1.6之间；平凹透镜2的折射率介于1.55与1.65之间；弯月透镜3的折射率介于1.75与1.85之间；平凸透镜4的折射率介于1.45与1.55之间；第二非球面透镜5的焦距介于1.5与1.6之间；第一双胶合透镜6中，靠近第二非球面透镜5的一片透镜折射率介于1.75与1.85之间，另一片透镜的折射率介于1.75与1.85之间；第一凸透镜7的折射率介于1.45与1.55之间；第二双胶合透镜8中，靠近第一凸透镜7的一片透镜的折射率介于1.45与1.55之间，另一片透镜的折射率介于1.75与1.85之间；第二凸透镜9的折射率介于1.45与1.55之间；场镜10的折射率介于1.55与1.65之间。

镜片之间的距离设定方面，如图1的标识设定，其中，第一非球面透镜1和平凹透镜2之间的距离d₁为24.1mm；平凹透镜2和弯月透镜3之间的距离d₂为17.5mm；弯月透镜3和平凸透镜4之间的距离d₃为16.7mm；平凸透镜4和第二非球面透镜5之间的距离d₄为11.3mm；第二非球面透镜5和第一双胶合透镜6之间的距离d₅为3mm；第一双胶合透镜6和第一凸透镜7之间的距离d₆为0.3mm；第一凸透镜7和第二双胶合透镜8之间的距离d₇为0.14mm；第二双胶合透镜8和第二凸透镜9之间的距离d₈为0.6mm；第二凸透镜9和场镜10之间的距离d₉为24.4mm；场镜10和DMD芯片11之间距离为0mm。此镜头是一款结构简单，无特殊材料的超广角成像物镜。经上述透镜系统后在1m处形成对角线为2.4m的像面。本发明是基于光学成像原理，使用光学设计软件，根据组合透镜光焦度公式

φ=φ₁+φ₂-dφ₁φ₂

对各透镜的曲率、材料以及厚度进行修改以调节各透镜的焦距（以上公式中的φ为焦距的倒数），对镜组之间的间距（以上公式中的d）进行反复修改调节并组合计算，在没有加入复杂的自由曲面反射镜和特殊材料的帮助下，最终得出视场为120度，焦距为6.8mm，光学筒长158.8mm，F2.4，畸变小于2%，各视场像质均匀并且像质较佳的光学投影镜头。该镜头使用了偏置放置DMD，DMD芯片相对于光轴偏置放置，偏置放置距离为0.9mm到1.0mm之间，优选的是DMD缘距离物镜光轴偏置0.93mm，如图5所示，从而保证在正投影工作时出射画面向上偏置110%，实现出射光束高于投影镜头位置，投影画面不会被投影物镜遮挡。并且实现了在1米距离内投射出100英寸的高清画面。图2是本发明投影镜头的MTF曲线图。图中在70lp/mm下各视场的MTF曲线紧凑成一束而且数值均大于0.4，除了边缘视场外均大于0.5值，说明该镜头工作的成像画面清晰均匀，满足1920×1080的高分辨率要求。0.65英寸DMD芯片的像素大小为7.5微米，对应奎尼斯线对为66lp/mm，在该线对数下MTF数值大于0.3即可满足该芯片的分辨要求。图3是本发明投影镜头的点列图。从图知，各个视场下的点列图平均尺寸均小于6微米，像质很好。图4是本发明投影镜头的场曲和畸变图。从图知，该镜头场曲小于0.1mm畸变均小于2%。

Claims (7)

1.一种超短焦投影镜头，其特征在于，它包括位于投射面和DMD芯片之间的若干个同轴排布的透镜，所述透镜从投射面到DMD芯片的排布顺序依次是第一非球面透镜、平凹透镜、弯月透镜、平凸透镜、第二非球面透镜、第一双胶合透镜、第一凸透镜、第二双胶合透镜、第二凸透镜和场镜；其中：

所述第一非球面透镜的焦距介于-35mm与-45mm之间；

所述平凹透镜的焦距介于-25mm与-35mm之间；

所述弯月透镜的焦距介于-330mm与-380mm之间；

所述平凸透镜的焦距介于45mm与55mm之间；

所述第二非球面透镜的焦距介于-25mm与-35mm之间；

所述第一双胶合透镜的焦距介于75mm与85mm之间；

所述第一凸透镜的焦距介于15mm与25mm之间；

所述第二双胶合透镜的焦距介于-20mm与-30mm之间；

所述第二凸透镜的焦距介于15mm与25mm之间；

所述场镜的焦距介于45mm与65mm之间。

2.如权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述DMD芯片相对于光轴偏置放置且距所述场镜0mm，偏置放置距离为0.9mm到1.0mm之间，以满足该投影物镜在正投影工作时出射画面向上偏置为110％；所述DMD芯片为0.65英寸且分辨率为1920×1080。

3.如权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，

所述第一非球面透镜的折射率介于1.5与1.6之间；

所述平凹透镜的折射率介于1.55与1.65之间；

所述弯月透镜的折射率介于1.75与1.85之间；

所述平凸透镜的折射率介于1.45与1.55之间；

所述第二非球面透镜的焦距介于1.5与1.6之间；

所述第一双胶合透镜中，靠近第二非球面透镜的一片透镜折射率介于1.75与1.85之间，另一片透镜的折射率介于1.75与1.85之间；

所述第一凸透镜的折射率介于1.45与1.55之间；

所述第二双胶合透镜中，靠近第一凸透镜的一片透镜的折射率介于1.45与1.55之间，另一片透镜的折射率介于1.75与1.85之间；

所述第二凸透镜的折射率介于1.45与1.55之间；

所述场镜的折射率介于1.55与1.65之间。

4.如权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述透镜除第一非球面透镜和第一双胶合透镜外的均为光学玻璃。

5.如权利要求2所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述DMD芯片相对于光轴的偏置放置距离为0.93mm。

6.如权利要求1或3所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第一非球面透镜为塑料偶次曲面镜片。

7.如权利要求1或3或4所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第一双胶合透镜为偶次曲面塑胶镜片。