CN106842590A - 一种超短焦投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短焦投影光学系统，在投射方向上依次设置有：照明系统、折射透镜组件、非球面反射镜；所述照明系统包括DMD芯片、等效棱镜；所述折射透镜组件包括：能相对DMD芯片前后移动的第一透镜组，所述第一透镜组的光焦度为正；能相对DMD芯片前后移动的第二透镜组，所述第二透镜组的光焦度为正；能相对DMD芯片前后移动的第三透镜组，所述第三透镜组的光焦度为负；相对DMD芯片静止的第四透镜组，所述第四透镜组的光焦度为正。本发明分辨率高，实现了0.18以下投射比，并在高温状态下不虚焦；实现了在不同投射距离下的分辨率不降低和畸变不变大。

Description

一种超短焦投影光学系统

【技术领域】

本发明涉及光电显示行业的投影技术，尤其是一种超短焦投影光学系统。

【背景技术】

近年来随着投影技术的发展，投影仪已经广泛应用于家用、教育、办公等领域，其中，超短焦投影能够在短距离投影的情况下投射出大尺寸的画面，备受广大用户的喜爱。

目前市场上的超短焦投影镜头有两种设计方式：1、采用折射式的反远距镜头结构，镜头体积大，使用镜片数量较多，为了校正畸变和场曲，不得不牺牲分辨率，导致分辨率偏低，制造公差敏感，无法批量生产；2、混合式的结构即折射透镜组件加反射透镜组，目前采用这种结构的超短焦镜头普遍分辨率偏低、投射比小，亮度低、投射距离变化时场曲和畸变明显变大，导致解像力变差，并且投射距离的范围较小，虽然少数镜头的分辨率达到了1080P，但是为了提高分辨率，却牺牲了投射比，并增加较多非球面，导致制造良率低，无法批量生产；也有少部分镜头为了降低成本，采用塑胶非球面，导致镜头在投影机长时间使用时因高温发热而产生虚焦现象，目前市场上还没有超短焦镜头能够同时克服上述缺点。

因此，本发明正是基于以上的不足而产生的。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种超短焦投影光学系统，该系统分辨率高，亮度高，高温不虚焦，投射距离范围大、不同投射距离下解像力不降低、畸变不变大、可批量生产。

为解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：一种超短焦投影光学系统，其特征在于，在投射方向上依次设置有：照明系统、折射透镜组件、非球面反射镜；所述照明系统包括DMD芯片、等效棱镜；

所述折射透镜组件包括：

能相对DMD芯片前后移动的第一透镜组，所述第一透镜组的光焦度为正；

能相对DMD芯片前后移动的第二透镜组，所述第二透镜组的光焦度为正；

能相对DMD芯片前后移动的第三透镜组，所述第三透镜组的光焦度为负；

相对DMD芯片静止的第四透镜组，所述第四透镜组的光焦度为正。

如上所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述的第一透镜组包括沿投射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、光阑和第七透镜；所述第二透镜组包括第八透镜；所述第三透镜组包括第九透镜；所述第四透镜组包括沿投射方向依次设置的第十透镜、第十一透镜、第十二透镜和第十三透镜。

如上所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述的DMD芯片相对于光轴偏离放置，使得DMD芯片的中心与光轴偏离距离为0.8mm-1mm。

如上所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜组的光焦度满足0.03≤|φ₂₁₀|≤0.04；所述第二透镜组的光焦度满足0.004≤|φ₂₂₀|≤0.005；所述第三透镜组的光焦度满足0.03≤|φ₂₃₀|≤0.035；所述第四透镜组的光焦度满足0.007≤|φ₂₄₀|≤0.008，所述非球面反射镜的光焦度满足0.03≤|φ₃₀₀|≤0.033。

如上所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第十一透镜的光焦度φ₁₁为负，所述第十透镜的光焦度φ₁₀为正，光焦度满足0.8≤|φ₁₁/φ₁₀|≤0.9；所述第十三透镜的光焦度φ₁₃为负，所述第十二透镜的光焦度φ₁₂为正，光焦度满足0.2≤|φ₁₃/φ₁₂|≤0.3。

如上所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第六透镜的光焦度为负，光焦度φ₆满足：0.008≤|φ₆|≤0.009；所述第六透镜的两面均弯向DMD芯片；所述第五透镜的光焦度为正，第四透镜的光焦度为负，第四透镜两面均弯向非球面反射镜，光焦度满足0.04≤|φ₄/φ₅|≤0.041，折射率满足0.3≤(ND₄-ND₅)≤0.4；所述第三透镜的光焦度为正，所述第二透镜的光焦度为负，第二透镜的两面均弯向非球面反射镜，光焦度满足0.014≤|φ₂/φ₃|≤0.016，折射率满足0.4≤(ND₂-ND₃)≤0.43。

如上所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第二透镜与所述第三透镜通过光学胶水粘合，所述第四透镜与所述第五透镜通过光学胶水粘合。

如上所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第六透镜、第八透镜、第九透镜和非球面反射镜为玻璃非球面镜片。

如上所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第六透镜、第八透镜、第九透镜和非球面反光镜的非球面表面形状满足方程式：

上述方程式中参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线；当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α₁至α₈分别表示各径向坐标所对应的系数。

与现有技术相比，本发明的一种超短焦投影光学系统，达到了如下效果：

1、本发明分辨率高，实现了0.18以下投射比，并在高温状态下不虚焦。

2、本发明实现了在不同投射距离下的分辨率不降低和畸变不变大。

3、本发明通过对系统光焦度的合理分配，使装配敏感度大幅度降低，可进行批量化生产。

【附图说明】

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明示意图；

图2为本发明光路示意图；

附图说明：100、照明系统；110、DMD芯片；120、等效棱镜；200、折射透镜组件；210、第一透镜组；220、第二透镜组；230、第三透镜组；240、第四透镜组；300、非球面反射镜；1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、第七透镜；8、第八透镜；9、第九透镜；10、第十透镜；11、十一透镜；12、第十二透镜；13、第十三透镜；14、光阑。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

如图1和图2所示，一种超短焦投影光学系统，在投射方向上依次设置有：照明系统100、折射透镜组件200、非球面反射镜300；所述照明系统100包括DMD芯片110、等效棱镜120；

所述折射透镜组件200包括：

相对DMD芯片110前后移动的第一透镜组210，所述第一透镜组210的光焦度为正；所述第一透镜组相对DMD芯片可前后移动，补偿镜头装配时后焦的变化量。

能相对DMD芯片110前后移动的第二透镜组220，所述第二透镜组220的光焦度为正。

能相对DMD芯片110前后移动的第三透镜组230，所述第三透镜组230的光焦度为负。第三透镜组和第二透镜组为联动组，相对DMD芯片110一起移动。

相对DMD芯片110静止的第四透镜组240，所述第四透镜组240的光焦度为正。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述的第一透镜组210包括沿投射方向依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、光阑14和第七透镜7；所述第二透镜组220包括第八透镜8；第八透镜8的两面均弯向非球面反射镜300；所述第三透镜组230包括第九透镜9；所述第四透镜组240包括沿投射方向依次设置的第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12和第十三透镜13。

如图1所示，在本实施例中，所述的DMD芯片110相对于光轴偏离放置，使得DMD芯片110的中心与光轴偏离距离为0.8mm-1mm。用来满足折射透镜组件200的出射光线经过非球面反射镜300后的光线与折射透镜组件不干涉；DMD芯片为0.65英寸，其分辨率为1920*1080。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第一透镜组210的光焦度满足0.03≤|φ₂₁₀|≤0.04；所述第二透镜组220的光焦度满足0.004≤|φ₂₂₀|≤0.005；所述第三透镜组230的光焦度满足0.03≤|φ₂₃₀|≤0.035；所述第四透镜组240的光焦度满足0.007≤|φ₂₄₀|≤0.008，所述非球面反射镜300的光焦度满足0.03≤|φ₃₀₀|≤0.033。当透镜组按照上述光焦度分配时，可实现0.18以下投射比，高温不虚焦，并可大幅度降低系统装配公差的敏感度，可进行批量化生产。

第三透镜组光焦度为负，第二透镜组光焦度为正，第三透镜组和第二透镜组采用同步移动的方式，第三透镜组和第二透镜组光焦度满足：6.5≤|φ₂₃₀/φ₂₂₀|≤6.8，第三透镜组采用玻璃非球面，两面均弯向DMD芯片，第二透镜组220为玻璃非球面，两面均背向DMD芯片，以上条件同时满足后，可补偿不同投射距离下的共轭距离变化量，实现较大范围的投射距离，同时可校正不同投射距离下的场曲和畸变，使不同投射距离下的分辨率保持不变。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第十一透镜11的光焦度φ₁₁为负，所述第十透镜10的光焦度φ₁₀为正，光焦度满足0.8≤|φ₁₁/φ₁₀|≤0.9；所述第十三透镜13的光焦度φ₁₃为负，所述第十二透镜12的光焦度φ₁₂为正，光焦度满足0.2≤|φ₁₃/φ₁₂|≤0.3。能够减小非球面反射镜的尺寸，从而使光学系统体积小。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第六透镜6的光焦度为负，光焦度φ₆满足：0.008≤|φ₆|≤0.009；所述第六透镜6的两面均弯向DMD芯片；可校正光阑产生的光阑球差和慧差，并可加大后组光线的高度，实现较大光圈，提升投射画面亮度；所述第五透镜5的光焦度为正，第四透镜4的光焦度为负，满足0.04≤|φ₄/φ₅|≤0.041；折射率满足0.3≤(ND₄-ND₅)≤0.4；所述第四透镜4的两面均弯向非球面反射镜300；所述第三透镜3的光焦度为正，所述第二透镜2的光焦度为负，满足0.014≤|φ₂/φ₃|≤0.016；折射率满足0.4≤(ND₂-ND₃)≤0.43。可大幅度降低系统的高级像差，提升系统分辨率，降低系统对像差的敏感度，实现批量化生产。第一透镜1采用玻璃非球面，校正系统其它镜片产生的畸变和象散，使系统最终得到高质量的成像。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第二透镜2与所述第三透镜3通过光学胶水粘合，所述第四透镜4与所述第五透镜5通过光学胶水粘合。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第一透镜1、第六透镜6、第八透镜9、第九透镜10和非球面反射镜300为玻璃非球面镜片。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第一透镜1、第六透镜6、第八透镜8、第九透镜9和非球面反光镜300的非球面表面形状满足方程式：

上述方程式中参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线；当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α₁至α₈分别表示各径向坐标所对应的系数。

以下案例为0.18投射比、分辨率为1080P的超短焦镜头的实际设计参数：

非球面反射镜S1的系数为：

k：-1.484

a1：0

a2：-4.1775889e-008

a3：-1.7469322e-011

a4：1.7400545e-015

a5：-1.3744689e-019

a6：5.819994e-024

a7：-9.0128358e-029

第九透镜9的第一面S10的系数为：

k：-1.209079

a1：0

a2：1.4598802e-005

a3：7.3836402e-009

a4：-1.0722255e-010

a5：2.2856103e-013

a6：-2.2696405e-016

a7：5.7114412e-020

第九透镜9的第二面S11的系数为：

k：-0.7290704

a1：0

a2：3.2176776e-005

a3：1.5832509e-007

a4：5.9875149e-011

a5：-8.0436318e-013

a6：2.8736159e-015

a7：4.7557297e-018

第八透镜8的第一面S12的系数为：

k：14.41962

a1：0

a2：7.714615e-007

a3：-4.3287749e-009

a4：-3.2946437e-011

a5：-9.887032e-014

a6：-1.4271619e-015

a7：-6.8875224e-018

a8：-1.7003567e-020

第八透镜8的第二面S13的系数为：

k：-0.7130752

a1：0

a2：-1.4711743e-006

a3：4.3075608e-009

a4：-4.7317027e-011

a5：-2.0277632e-013

a6：-1.4895262e-016

a7：1.5629029e-018

a8：-7.1817264e-020

第六透镜6的第一面S17的系数为：

k：21.03896

a1：0

a2：-7.4996101e-005

a3：9.4385801e-007

a4：-2.6751325e-008

a5：-4.8054944e-010

a6：2.7932337e-011

a7：-3.046491e-013

第六透镜6的第二面S18的系数为：

k：0.6876403

a1：0

a2：-4.9595905e-005

a3：2.787858e-007

a4：1.0856431e-008

a5：-1.5897707e-010

a6：-1.7977373e-011

a7：4.0060191e-013

第一透镜1的第一面S25的系数为：

k：-1.789004

a1：0

a2：8.263905e-006

a3：-1.7911823e-008

a4：3.7017951e-011

a5：4.6598193e-014

a6：7.4790277e-017

a7：6.4726266e-019

第一透镜1的第二面S26的系数为：

k：-0.5580475

a1：0

a2：-2.9634338e-005

a3：2.3313592e-008

a4：-5.5797887e-011

a5：1.3393404e-013

a6：2.4826738e-016

a7：6.2566959e-019

超短焦投影镜头的投射范围为0.35m至0.6m，超短焦投影镜头对焦时，移动第一透镜组调整后焦，调整范围为±0.1mm，后焦调整好后，第一透镜组固定不动，第二透镜组和第三透镜组联动进行对焦，对焦时各透镜组之间的间隔变化范围如下：第一透镜组与第二透镜组之间的间隔为17.1mm～19.28mm,第二透镜组与第三透镜组之间的间隔为14.6mm～13.5mm，第三透镜组与第四透镜组之间的间隔为2.0mm～1.0mm。

Claims (9)

1.一种超短焦投影光学系统，其特征在于，在投射方向上依次设置有：照明系统(100)、折射透镜组件(200)、非球面反射镜(300)；所述照明系统(100)包括DMD芯片(110)、等效棱镜(120)；

所述折射透镜组件(200)包括：

能相对DMD芯片(110)前后移动的第一透镜组(210)，所述第一透镜组(210)的光焦度为正；

能相对DMD芯片(110)前后移动的第二透镜组(220)，所述第二透镜组(220)的光焦度为正；

能相对DMD芯片(110)前后移动的第三透镜组(230)，所述第三透镜组(230)的光焦度为负；

相对DMD芯片(110)静止的第四透镜组(240)，所述第四透镜组(240)的光焦度为正。

2.根据权利要求1所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述的第一透镜组(210)包括沿投射方向依次设置的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、光阑(14)和第七透镜(7)；所述第二透镜组(220)包括第八透镜(8)；所述第三透镜组(230)包括第九透镜(9)；所述第四透镜组(240)包括沿投射方向依次设置的第十透镜(10)、第十一透镜(11)、第十二透镜(12)和第十三透镜(13)。

3.根据权利要求1所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述的DMD芯片(110)相对于光轴偏离放置，使得DMD芯片(110)的中心与光轴偏离距离为0.8mm-1mm。

4.根据权利要求1所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜组(210)的光焦度满足0.03≤|φ₂₁₀|≤0.04；所述第二透镜组(220)的光焦度满足0.004≤|φ₂₂₀|≤0.005；所述第三透镜组(230)的光焦度满足0.03≤|φ₂₃₀|≤0.035；所述第四透镜组(240)的光焦度满足0.007≤|φ₂₄₀|≤0.008，所述非球面反射镜(300)的光焦度满足0.03≤|φ₃₀₀|≤0.033。

5.根据权利要求2所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第十一透镜(11)的光焦度φ₁₁为负，所述第十透镜(10)的光焦度φ₁₀为正，光焦度满足0.8≤|φ₁₁/φ₁₀|≤0.9；所述第十三透镜(13)的光焦度φ₁₃为负，所述第十二透镜(12)的光焦度φ₁₂为正，光焦度满足0.2≤|φ₁₃/φ₁₂|≤0.3。

6.根据权利要求2所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第六透镜(6)的光焦度为负，光焦度φ₆满足：0.008≤|φ₆|≤0.009；所述第六透镜(6)的两面均弯向DMD芯片(110)；所述第五透镜(5)的光焦度为正，第四透镜(4)的光焦度为负，第四透镜(4)两面均弯向非球面反射镜(300)，光焦度满足0.04≤|φ₄/φ₅|≤0.041，折射率满足0.3≤(ND₄-ND₅)≤0.4；所述第三透镜(3)的光焦度为正，所述第二透镜(2)的光焦度为负，第二透镜(2)的两面均弯向非球面反射镜(300)，光焦度满足0.014≤|φ₂/φ₃|≤0.016，折射率满足0.4≤(ND₂-ND₃)≤0.43。

7.根据权利要求6所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第二透镜(2)与所述第三透镜(3)通过光学胶水粘合，所述第四透镜(4)与所述第五透镜(5)通过光学胶水粘合。

8.根据权利要求2所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)、第六透镜(6)、第八透镜(8)、第九透镜(9)和非球面反射镜(300)为玻璃非球面镜片。

9.根据权利要求8所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)、第六透镜(6)、第八透镜(9)、第九透镜(10)和非球面反光镜(300)的非球面表面形状满足方程式：

$Z={\mathrm{cy}}^2/\{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{y}^2}\}+a_1{y}^2+a_2{y}^4+a_3{y}^6+a_4{y}^8+a_5{y}^{10}+a_6{y}^{12}+a_7{y}^{14}+a_8{y}^{16}$

上述方程式中参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线；当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α₁至α₈分别表示各径向坐标所对应的系数。