CN104142566B - 近红外交互式投影镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种近红外交互式投影镜头，从成像侧至像源侧依序包括：具负光焦度的第一透镜，其成像侧为凹面；使光路弯曲的反射光学面；具正光焦度的第二透镜，其像源侧为凸面；具有正光焦度的第三透镜，其像源侧为凸面；所述镜头满足下列关系式：0.4<ImgH/D<0.7，其中，ImgH为像源直径对角线长的一半；D为第一透镜成像侧面至垂直于像源的中心光轴的垂直高度。本发明采用了三片透镜，具有较大视场角、大孔径、小型化等特性，同时，通过玻璃和塑料的相混合，不同的光焦度和曲率半径的合理分配，降低了镜头成本，有效的消除了热差对系统的影响，达到像方远心的特性。

Description

近红外交互式投影镜头
技术领域
本发明涉及一种由三片透镜构成的光学投影系统，尤其是涉及一种可应用于近红外交互式系统的投影镜头。
背景技术
近年来，随着影像科技的不断进步，投影镜头的应用范围也越来越广，交互式投影设备逐步兴起。为了适用于小型化电子设备和交互式的需求，投影镜头需要在保证小型化的同时，具有足够的视场角，并保证良好的成像质量和信息的获取。传统的投影镜头一般用于成像，通过采用较多的镜片来消除各种像差，以提高分辨率，但会使投影镜头全长变长，不利于小型化；且一般的大视场角投影镜头，畸变都会较大，成像质量不高；。如专利号为“CN102879888A”的发明专利，该投影镜头依序具有七片镜片和一个全反射棱镜，该镜头的镜片数目和棱镜位置，决定了该镜头尺寸无法进一步缩小，虽然有较好的成像质量，但是该结构无法保证透镜系统的远心特性，使得光线不均匀从而可能出现阴影。
交互设备主要依靠经镜头投影产生信号，再经成像镜头捕捉图像，进一步通过图像处理软件对信息进行提取，从而实现多点触控、手势识别等交互功能。因此，投影镜头模拟的信号质量对信息提取的精度有着决定性的作用。而红外波段因其自身的特性，可以滤去可见光的影响，更容易实现信息的提取。
因此，本发明提出一种应用于红外波段的交互式投影镜头，具有大视场角、大孔径且小型化的特性，并且有效消除热差对镜头系统的影响，同时达到像方远心的效果。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种具有大视场角、大孔径、且小型化的近红外交互式投影镜头，采用玻璃和塑料混合使用的设计，降低了生产成本，有效消除了热差对镜头的影响，对整体结构和各透镜形状的控制，从而达到了像方远心的效果。
一种近红外交互式投影镜头，从成像侧至像源侧依序包括：
具负光焦度的第一透镜，其成像侧为凹面；
使光路弯曲的反射光学面；
具正光焦度的第二透镜，其像源侧为凸面；
具正光焦度的第三透镜，其像源侧为凸面；
本发明近红外交互式投影镜头中，第一透镜和第二透镜两侧面均为非球面，第三透镜两侧均为球面。
本发明提供的近红外交互式投影镜头中，第一透镜和第二透镜之间设置有一光阑，第三透镜由玻璃制成，这种塑料镜头中插入玻璃镜片的结构，再配合合理的形状结构设计，能有效的消除热差对本镜头的影响。
本发明提供的近红外交互式投影镜头中，ImgH为像源直径对角线长的一半；D为第一透镜成像侧面至垂直于像源的中心光轴的垂直高度，将满足下列关系式：
0.4<ImgH/D<0.7
满足以上关系式有利于实现小型化的特性，以便应用于便携式产品上。
本发明提供的近红外交互式投影镜头中，f3为第三透镜的焦距，f为镜头系统的整体焦距，将满足下列关系式：
3<f3/f<6
第三透镜由玻璃制成，在加之上式要求，能有效的消除热差对本镜头的影响，同时有利于像方远心的特性。
本发明提供的近红外交互式投影镜头中，R3、R4分别为第二透镜成像侧面和像源侧面的曲率半径，将满足下列关系式：
0.2<(R3+R4)/(R3-R4)<1.2
第二透镜满足上式要求有利于像方远心，提高成像质量。
本发明提供的近红外交互式投影镜头中，R5、R6分别为第三透镜成像侧面和像源侧面的曲率半径，将满足下列关系式：
0.2<(R5+R6)/(R5-R6)<1.2
第三透镜符合以上要求，有利于本发明的像方远心特性，让光线保持均匀，无暗角，并较好的修正畸变。
优选的，所述第一透镜像源侧面为凸面。
优选的，所述第二透镜成像侧面为凸面。
优选的，所述第三透镜成像侧面为凸面。
优选的，所述使光路弯曲的反射光学面可以是反射棱镜，也可以是反射平面镜。
本发明采用了三片透镜，实现了大视场角、大孔径、小型化的技术效果，通过塑料和玻璃的相结合及不同的光焦度分配，降低了生产成本，消除了热差对系统的影响，同时达到了像方远心的特性。
附图说明
图1是本发明提供的近红外交互式投影镜头的实施例1的主要结构示意图；
图2是实施例1中的轴上色差图(mm)；
图3是实施例1中的像散图(mm)；
图4是实施例1中的畸变图(％)；
图5是实施例1中的倍率色差图(μm)；
图6是本发明提供的近红外交互式投影镜头的实施例2的主要结构示意图；
图7是实施例2中的轴上色差图(mm)；
图8是实施例2中的像散图(mm)；
图9是实施例2中的畸变图(％)；
图10是实施例2中的倍率色差图(μm)；
图11是本发明提供的近红外交互式投影镜头的实施例3的主要结构示意图；
图12是实施例3中的轴上色差图(mm)；
图13是实施例3中的像散图(mm)；
图14是实施例3中的畸变图(％)；
图15是实施例3中的倍率色差图(μm)；
图16是本发明提供的近红外交互式投影镜头的实施例4的主要结构示意图；
图17是实施例4中的轴上色差图(mm)；
图18是实施例4中的像散图(mm)；
图19是实施例4中的畸变图(％)；
图20是实施例4中的倍率色差图(μm)；
图21是本发明提供的近红外交互式投影镜头的实施例5的主要结构示意图；
图22是实施例5中的轴上色差图(mm)；
图23是实施例5中的像散图(mm)；
图24是实施例5中的畸变图(％)；
图25是实施例5中的倍率色差图(μm)；
图26是本发明提供的近红外交互式投影镜头的实施例6的主要结构示意图；
图27是实施例6中的轴上色差图(mm)；
图28是实施例6中的像散图(mm)；
图29是实施例6中的畸变图(％)；
图30是实施例6中的倍率色差图(μm)。
具体实施方式
下面参照附图对上述发明内容进行具体描述：
如图1所示，实施例1中，该近红外交互式投影镜头由成像侧至像源侧依序包括：具负光焦度的第一透镜E1，其成像侧面为凹面，像源侧面为凸面，成像侧面和像源侧面均为非球面；使光路弯曲的反射棱镜E2；具正光焦度的第二透镜E3，其成像侧面为凸面，像源侧面为凸面，且成像侧面和像源侧面均为非球面；具正光焦度的第三透镜E4，其成像侧面为凸面，像源侧面为凸面，且成像侧面和像源侧面均为球面；光阑位于第一透镜E1和第二透镜E3之间；所述投影镜头系统中第三透镜E4由玻璃制成。
从成像侧至像源侧，第一透镜E1的两面为S1、S2，光阑面为S3，第二透镜E3的两面为S4、S5，第三透镜E4的两面为S6、S7，像源为S8。
实施例1中，各参数如下所述：TTL＝11.10；f1＝-3.58；f2＝4.45；f3＝5.53；f＝1.56；
f3/f＝3.56；
ImgH/D＝0.58；
(R3+R4)/(R3-R4)＝0.74；
(R5+R6)/(R5-R6)＝0.25；
系统参数：光阑值2.8
表1
表面编号 表面类型 曲率半径 厚度 材料 有效口径 圆锥系数
obj 球面 无穷 467.0000 414.4300
1 非球面 -1.2163 0.4717 F52R 1.9503 -8.6544
2 非球面 -3.8848 0.5552 1.3017 -150.6171
3 球面 无穷 2.5500 H-K9L 1.2618
4 球面 无穷 0.1000 0.5748
stop 球面 无穷 1.4357 0.4971
6 非球面 17.8461 1.1684 F52R 1.4018 -60.3983
7 非球面 -2.6404 0.0921 1.5640 -2.6443
8 球面 8.7790 1.8211 H-ZK11 1.6968
9 球面 -5.3074 2.9059 1.7668
IMG 球面 无穷 1.3102
下表是非球面透镜的非球面高次项系数A4、A6、A8、A10、A12：
表2
如图6所示，实施例2中，该近红外交互式投影镜头由成像侧至像源侧依序包括：具负光焦度的第一透镜E1，其成像侧面为凹面，像源侧面为凹面，成像侧面和像源侧面均为非球面；使光路弯曲的反射棱镜E2；具正光焦度的第二透镜E3，其成像侧面为凸面，像源侧面为凸面，且成像侧面和像源侧面均为非球面；具正光焦度的第三透镜E4，其成像侧面为凸面，像源侧面为凸面，且成像侧面和像源侧面均为球面；光阑位于第一透镜E1和第二透镜E3之间；所述投影镜头系统中第三透镜E4由玻璃制成。
从成像侧至像源侧，第一透镜E1的两面为S1、S2，光阑面为S3，第二透镜E3的两面为S4、S5，第三透镜E4的两面为S6、S7，像源为S8。
实施例2中，各参数如下所述：TTL＝10.69；f1＝-2.99；f2＝3.7；f3＝4.92；f＝1.26；
f3/f＝3.9；
ImgH/D＝0.45；
(R3+R4)/(R3-R4)＝0.6；
(R5+R6)/(R5-R6)＝0.7；
系统参数：光阑值2.8
表3
表面编号 表面类型 曲率半径 厚度 材料 有效口径 圆锥系数
obj 球面 无穷 467.0000 414.4507
1 非球面 -1.6010 0.4265 F52R 1.8707 -10.1953
2 非球面 101.0876 0.6491 1.2334 100.0002
3 球面 无穷 2.6348 H-K9L 1.1825
4 球面 无穷 0.1391 0.5267
stop 球面 无穷 1.2536 0.4372
6 非球面 9.3840 1.2821 F52R 1.1696 -62.7585
7 非球面 -2.3465 0.4794 1.3990 -2.9212
8 球面 20.1827 1.3155 H-ZK11 1.5709
9 球面 -3.5629 2.5110 1.6478
IMG 球面 无穷 1.0793
下表是非球面透镜的非球面高次项系数A4、A6、A8、A10、A12：
表4
如图11所示，实施例3中，该近红外交互式投影镜头由成像侧至像源侧依序包括：具负光焦度的第一透镜E1，其成像侧面为凹面，像源侧面为凸面，成像侧面和像源侧面均为非球面；使光路弯曲的反射棱镜E2；具正光焦度的第二透镜E3，其成像侧面为凹面，像源侧面为凸面，且成像侧面和像源侧面均为非球面；具正光焦度的第三透镜E4，其成像侧面为凸面，像源侧面为凸面，且成像侧面和像源侧面均为球面；光阑位于第一透镜E1和第二透镜E3之间；所述投影镜头系统中第三透镜E4由玻璃制成。
从成像侧至像源侧，第一透镜E1的两面为S1、S2，光阑面为S3，第二透镜E3的两面为S4、S5，第三透镜E4的两面为S6、S7，像源为S8。
实施例3中，各参数如下所述：TTL＝11.5；f1＝-3.69；f2＝4.82；f3＝5.29；f＝1.66；
f3/f＝3.19；
ImgH/D＝0.63；
(R3+R4)/(R3-R4)＝1.01；
(R5+R6)/(R5-R6)＝0.58；
系统参数：光阑值2.8
表5
表面编号 表面类型 曲率半径 厚度 材料 有效口径 圆锥系数
obj 球面 无穷 467.0000 414.4145
1 非球面 -1.2123 0.4774 F52R 1.9415 -9.0087
2 非球面 -3.6559 0.5100 1.2927 -139.7000
3 球面 无穷 2.5524 H-K9L 1.2587
4 球面 无穷 0.0513 0.5440
stop 球面 无穷 1.4025 0.5174
6 非球面 -399.9996 1.0971 F52R 1.3600 499.8527
7 非球面 -2.5291 0.1267 1.5759 -2.7015
8 球面 15.0123 2.0931 H-ZK11 1.7721
9 球面 -4.0415 3.1857 1.9389
IMG 球面 无穷 1.4196
下表是非球面透镜的非球面高次项系数A4、A6、A8、A10、A12：
表6
如图16所示，实施例4中，该近红外交互式投影镜头由成像侧至像源侧依序包括：具负光焦度的第一透镜E1，其成像侧面为凹面，像源侧面为凸面，成像侧面和像源侧面均为非球面；使光路弯曲的反射棱镜E2；具正光焦度的第二透镜E3，其成像侧面为凸面，像源侧面为凸面，且成像侧面和像源侧面均为非球面；具正光焦度的第三透镜E4，其成像侧面为凹面，像源侧面为凸面，且成像侧面和像源侧面均为球面；光阑位于第一透镜E1和第二透镜E3之间；所述投影镜头系统中第三透镜E4由玻璃制成。
从成像侧至像源侧，第一透镜E1的两面为S1、S2，光阑面为S3，第二透镜E3的两面为S4、S5，第三透镜E4的两面为S6、S7，像源为S8。
实施例4中，各参数如下所述：TTL＝10.64；f1＝-3.21；f2＝3.67；f3＝5.73；f＝1.27；
f3/f＝4.5；
ImgH/D＝0.46；
(R3+R4)/(R3-R4)＝0.49；
(R5+R6)/(R5-R6)＝1.11；
系统参数：光阑值2.8
表7
表面编号 表面类型 曲率半径 厚度 材料 有效口径 圆锥系数
obj 球面 无穷 467.0000 414.4204
1 非球面 -1.1657 0.4679 F52R 1.9186 -7.9657
2 非球面 -4.2718 0.6078 1.2692 -197.4554
3 球面 无穷 2.5670 H-K9L 1.2454
4 球面 无穷 0.2031 0.5376
stop 球面 无穷 1.3200 0.4371
6 非球面 7.2110 1.6244 F52R 1.3082 -113.1454
7 非球面 -2.4405 0.0500 1.5275 -2.2567
8 球面 -64.3842 0.9000 H-ZK11 1.6410
9 球面 -3.4327 2.9022 1.8050
IMG 球面 无穷 1.0888
下表是非球面透镜的非球面高次项系数A4、A6、A8、A10、A12：
表8
如图21所示，实施例5中，该近红外交互式投影镜头由成像侧至像源侧依序包括：具负光焦度的第一透镜E1，其成像侧面为凹面，像源侧面为凹面，成像侧面和像源侧面均为非球面；使光路弯曲的反射棱镜E2；具正光焦度的第二透镜E3，其成像侧面为凸面，像源侧面为凸面，且成像侧面和像源侧面均为非球面；具正光焦度的第三透镜E4，其成像侧面为凹面，像源侧面为凸面，且成像侧面和像源侧面均为球面；光阑位于第一透镜E1和第二透镜E3之间；所述投影镜头系统中第三透镜E4由玻璃制成。
从成像侧至像源侧，第一透镜E1的两面为S1、S2，光阑面为S3，第二透镜E3的两面为S4、S5，第三透镜E4的两面为S6、S7，像源为S8。
实施例5中，各参数如下所述：TTL＝9.08；f1＝-2.42；f2＝2.94；f3＝5.53；f＝1.05；
f3/f＝5.27；
ImgH/D＝0.42；
(R3+R4)/(R3-R4)＝0.34；
(R5+R6)/(R5-R6)＝1.03；
系统参数：光阑值2.8
表9
表面编号 表面类型 曲率半径 厚度 材料 有效口径 圆锥系数
obj 球面 无穷 467.0000 414.2489
1 非球面 -1.4646 0.5140 F52R 1.6154 -9.0527
2 非球面 11.1734 0.6292 1.0305 -14.7194
3 球面 无穷 1.9948 H-K9L 0.9189
4 球面 无穷 0.0752 0.4308
stop 球面 无穷 1.2635 0.3669
6 非球面 4.3484 1.4499 F52R 1.0953 -39.3139
7 非球面 -2.1280 0.0921 1.2990 -2.6316
8 球面 -240.4137 0.5721 H-ZK11 1.3469
9 球面 -3.4338 2.4930 1.3687
IMG 球面 无穷 0.9086
下表是非球面透镜的非球面高次项系数A4、A6、A8、A10、A12：
表10
如图26所示，实施例6提供的近红外交互式投影镜头，由成像侧至像源侧依序包括：具负光焦度的第一透镜E1，其成像侧面为凹面，像源侧面为凸面，成像侧面和像源侧面均为非球面；使光路弯曲的反射平面镜E2；具正光焦度的第二透镜E3，其成像侧面为凸面，像源侧面为凸面，且成像侧面和像源侧面均为非球面；具正光焦度的第三透镜E4，其成像侧面为凸面，像源侧面为凸面，且成像侧面和像源侧面均为球面；光阑位于第一透镜E1和第二透镜E3之间；所述投影镜头系统中第三透镜E4由玻璃制成。
从成像侧至像源侧，第一透镜E1的两面为S1、S2，光阑面为S3，第二透镜E3的两面为S4、S5，第三透镜E4的两面为S6、S7，像源为S8，其中坐标断点两个面为zemax光学设计软件中设计反射平面镜时特有的两个面，若使用其它软件实现反射平面镜，则根据各软件特点做出的改变均在本发明范围内。
实施例6中，各参数如下所述：TTL＝7.22；f1＝-3.58；f2＝4.41；f3＝5.53；f＝1.66；
f3/f＝3.33；
ImgH/D＝0.53；
(R3+R4)/(R3-R4)＝0.74；
(R5+R6)/(R5-R6)＝0.25；
系统参数：光阑值2.8
表11
表面编号 表面类型 曲率半径 厚度 材料 有效口径 圆锥系数
obj 球面 无穷 467.0000 414.4650
1 非球面 -1.2163 0.4836 F52R 1.9210 -7.0477
2 非球面 -3.8848 1.9000 1.2640 -94.5295
3 坐标断点 0.0000 0.0000
4 球面 无穷 0.0000 MIRROR 1.5929
5 坐标断点 -0.5700 0.0000
stop 球面 无穷 -1.1751 0.5414
7 非球面 -17.8461 -0.6024 F52R 1.2178 -371.1687
8 非球面 2.6404 -0.1000 1.3005 -1.8237
9 球面 -8.7790 -1.7821 H-ZK11 1.4139
10 球面 5.3074 -2.9945 1.5164
IMG 球面 无穷 1.2614
下表是非球面透镜的非球面高次项系数A4、A6、A8、A10、A12：
表12
图2是实施例1的轴上色差图(mm)，图3是实施例1的像散图(mm)，图4是实施例1的畸变图(％)，图5是实施例1的倍率色差图(μm)。
图7是实施例2的轴上色差图(mm)，图8是实施例2的像散图(mm)，图9是实施例2的畸变图(％)，图10是实施例2的倍率色差图(μm)。
图12是实施例3的轴上色差图(mm)，图13是实施例3的像散图(mm)，图14是实施例3的畸变图(％)，图15是实施例3的倍率色差图(μm)。
图17是实施例4的轴上色差图(mm)，图18是实施例4的像散图(mm)，图19是实施例4的畸变图(％)，图20是实施例4的倍率色差图(μm)。
图22是实施例5的轴上色差图(mm)，图23是实施例5的像散图(mm)，图24是实施例5的畸变图(％)，图25是实施例5的倍率色差图(μm)。
图27是实施例6的轴上色差图(mm)，图28是实施例6的像散图(mm)，图29是实施例6的畸变图(％)，图30是实施例6的倍率色差图(μm)。
通过每个实施例的轴上色差图、像散图、畸变图和倍率色差图，可以看出本发明具有良好的光学性能。
虽然上面针对近红外交互式投影镜头描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上用其它软件进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，而并非用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种近红外交互式投影镜头，其特征在于：从成像侧至像源侧依序包括：
具负光焦度的第一透镜，其成像侧为凹面；
使光路弯曲的反射光学面；
具正光焦度的第二透镜，其像源侧为凸面；
具正光焦度的第三透镜，其像源侧为凸面；
光阑置于第一透镜和第二透镜之间，所述镜头满足下列关系式：
0.4<ImgH/D<0.7
其中，ImgH为像源直径对角线长的一半；D为第一透镜成像侧面至垂直于像源的中心光轴的垂直高度。
2.根据权利要求1所述的近红外交互式投影镜头，其特征在于：所述镜头中第一透镜和第二透镜的两侧均为非球面，第三透镜的两侧为球面。
3.根据权利要求2所述的近红外交互式投影镜头，其特征在于：所述镜头中第三透镜由玻璃材质制成。
4.根据权利要求3所述的近红外交互式投影镜头，其特征在于：所述镜头满足下列关系式：3<f3/f<6
其中，f3为第三透镜的焦距，f为镜头系统的整体焦距。
5.根据权利要求4所述的近红外交互式投影镜头，其特征在于：所述镜头满足下列关系式：0.2<(R3+R4)/(R3-R4)<1.2
其中，R3为第二透镜的成像侧面的曲率半径，R4为第二透镜的像源侧面的曲率半径。
6.根据权利要求5所述的近红外交互式投影镜头，其特征在于：所述镜头满足下列关系式：0.2<(R5+R6)/(R5-R6)<1.2
其中，R5为第三透镜的成像侧面的曲率半径，R6为第三透镜的像源侧面的曲率半径。
7.根据权利要求1-6任一所述的近红外交互式投影镜头，其特征在于：所述第一透镜像源侧面为凸面。
8.根据权利要求7所述的近红外交互式投影镜头，其特征在于：所述第二透镜成像侧面为凸面。
9.根据权利要求8所述的近红外交互式投影镜头，其特征在于：所述第三透镜成像侧面为凸面。
10.根据权利要求1-6、8、9任一所述的近红外交互式投影镜头，其特征在于：所述使光路弯曲的反射光学面是反射棱镜，或者是反射平面镜。
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