CN107144944A - 一种超短焦投影光学系统 - Google Patents

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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：DMD芯片、折射透镜组件和非球面反射镜；折射透镜组件包括沿投射方向依次设置的：能相对DMD芯片前后移动的第一透镜组，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，第二透镜组的光焦度为负；能相对DMD芯片前后移动的第三透镜组，第三透镜组的光焦度为正；相对DMD芯片静止的第四透镜组，第四透镜组的光焦度为正。本发明体积小，分辨率高，投射比小于0.2、高温不虚焦，投射距离范围大、可批量生产。

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，超短焦投影以其短距离投影大画面的特点，被广泛应用于家用，办公等领域。
目前市场上的超短焦投影镜头设计主要采用折射透镜组加反射透镜组的结构，目前采用这种结构的超短焦镜头通常为远心镜头，采用二次成像的原理，但反射镜的体积大，且整个光学系统的总长要长，制造难度大，量产困难；并且有少部分超短焦镜头中采用了塑胶非球面，但在使用中因为高温发热，会有虚焦现象，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了一种小体积，高分辨率，投射比小于0.2、高温不虚焦，投射距离范围大、可批量生产的超短焦投影光学系统。
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：DMD芯片、折射透镜组件和非球面反射镜；
所述折射透镜组件包括沿投射方向依次设置的：
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负；
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正；
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、光阑、第四透镜和第五透镜；所述第二透镜组包括第六透镜，第六透镜的两面均弯向DMD芯片；所述第三透镜组包括第七透镜，第七透镜的两面均弯向DMD芯片；所述第四透镜组包括沿投射方向依次设置的第八透镜、第九透镜、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，所述第一透镜的光焦度为正，所述第二透镜的光焦度为负，所述第三透镜的光焦度为正，所述第四透镜的光焦度为正，所述第五透镜的光焦度为正，所述第六透镜的光焦度为负，所述第七透镜的光焦度为正，所述第八透镜的光焦度为负，所述第九透镜的光焦度为正，所述第十透镜的光焦度为正，所述第十一透镜的光焦度为正，所述第十二透镜的光焦度为负，所述第十三透镜的光焦度为负。
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0.9mm-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0.01≤|φ210|≤0.02；所述第二透镜组的光焦度满足0.005≤|φ220|≤0.006；所述第三透镜组的光焦度满足0.02≤|φ230|≤0.03；所述第四透镜组的光焦度满足0.05≤|φ240|≤0.06；所述非球面反射镜的光焦度满足0.06≤|φ300|≤0.07。
如上所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第三透镜组的光焦度为正，所述第二透镜组的光焦度为负，第三透镜组和第二透镜组为联动组，第三透镜组和第二透镜组的光焦度满足：0.45≤|φ230/φ220|≤0.55，第三透镜组为塑料非球面，第三透镜组的两面均弯向DMD芯片，第二透镜组为塑料非球面，第二透镜组的两面均弯向DMD芯片。
如上所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第六透镜的光焦度为负，光焦度φ6满足：0.006≤|φ6|≤0.007；所述第七透镜的光焦度为正，光焦度φ7满足：0.02≤|φ7|≤0.03。
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，所述第八透镜与第九透镜通过光学胶水粘合，所述第十一透镜与第十二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，所述的第一透镜、第十三透镜为玻璃非球面，第六透镜、第七透镜、和非球面反射镜为塑胶非球面镜片。
如上所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于，所述非球面反射镜、第十三透镜、第七透镜、第六透镜和第一透镜的非球面的表面形状满足以下方程：
在公式中，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；a1至a8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、本发明分辨率非常高，可达到1080p分辨率，并实现了0.2以下投射比，高温状态下不虚焦。
2、本发明通过三次成像的原理，将反射镜的尺寸降到最低，可进行批量生产。
3、本发明可补偿不同投射距离下的共轭距离变化量，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。
4、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、DMD芯片；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：DMD芯片100、折射透镜组件200和非球面反射镜300；
所述折射透镜组件200包括沿投射方向依次设置的：
能相对DMD芯片100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100前后移动的第二透镜组220，所述第二透镜组220的光焦度为负；
能相对DMD芯片100前后移动的第三透镜组230，所述第三透镜组230的光焦度为正；第三透镜组和第二透镜组为联动组，相对DMD芯片100一起移动。
相对DMD芯片100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、光阑14、第四透镜4和第五透镜5；所述第二透镜组220包括第六透镜6，第六透镜6的两面均弯向DMD芯片100；所述第三透镜组230包括第七透镜7，第七透镜7的两面均弯向DMD芯片100；所述第四透镜组240包括沿投射方向依次设置的第八透镜8、第九透镜9、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和图2所示，在本实施例中，所述第一透镜1的光焦度为正，所述第二透镜2的光焦度为负，所述第三透镜3的光焦度为正，所述第四透镜4的光焦度为正，所述第五透镜5的光焦度为正，所述第六透镜6的光焦度为负，所述第七透镜7的光焦度为正，所述第八透镜8的光焦度为负，所述第九透镜9的光焦度为正，所述第十透镜10的光焦度为正，所述第十一透镜11的光焦度为正，所述第十二透镜12的光焦度为负，所述第十三透镜13的光焦度为负。
如图1和图2所示，在本实施例中，所述的DMD芯片100相对于光轴偏离放置，使得DMD芯片100的中心与光轴偏离距离为0.9mm-1mm。用来满足折射透镜组的出射光线经过非球面反射镜后的光线与折射透镜组不干涉；所述的DMD芯片为0.48英寸，其分辨率为1920*1080。
在本实施例中，影像光束从DMD芯片100发出，经过折射透镜组件200，在折射透镜组件200中第一次成像，折射透镜组件200和非球面反射镜300之间进行第二次成像，非球面反射镜300将第二次成像反射至投影屏幕形成第三次成像，当系统光路按照此三次成像原理进行设计时，可充分减小镜头两端的镜片口径，并将非球面反射镜300的半口径减小到45mm以下，折射透镜组件200到非球面反射镜300的距离也会大幅度减小，从而提高了装配精度，可实现大批量生产。
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0.01≤|φ210|≤0.02；所述第二透镜组220的光焦度满足0.005≤|φ220|≤0.006；所述第三透镜组230的光焦度满足0.02≤|φ230|≤0.03；所述第四透镜组240的光焦度满足0.05≤|φ240|≤0.06；所述非球面反射镜300的光焦度满足0.06≤|φ300|≤0.07。当透镜组按照上述光焦度分配时，可实现0.2以下投射比，非球面反射镜300半口径尺寸小于45mm，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。
如图1和图2所示，在本实施例中，所述第三透镜组230的光焦度为正，所述第二透镜组220的光焦度为负，第三透镜组230和第二透镜组220为联动组，第三透镜组230和第二透镜组220的光焦度满足：0.45≤|φ230/φ220|≤0.55，第三透镜组230为塑料非球面，第三透镜组230的两面均弯向DMD100芯片，第二透镜组220为塑料非球面，第二透镜组220的两面均弯向DMD芯片100。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，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，所述第六透镜6的光焦度为负，光焦度φ6满足：0.006≤|φ6|≤0.007；可校正大视场光线带来的象散和畸变；所述第七透镜7的光焦度为正，光焦度φ7满足：0.02≤|φ7|≤0.03，使光路在第七透镜后进行第二次成像，实现光路转折，减小后组镜片口径，实现非球面反射镜口径的减小，从而使光学系统体积小。
如图1和图2所示，在本实施例中，所述第二透镜2与所述第三透镜3通过光学胶水粘合，所述第八透镜8与第九透镜9通过光学胶水粘合，所述第十一透镜11与第十二透镜12通过光学胶水粘合。
如图1和图2所示，在本实施例中，所述的第一透镜1、第十三透镜13为玻璃非球面，第六透镜6、第七透镜7、和非球面反射镜300为塑胶非球面镜片。第一透镜1的光焦度为正，第一透镜1为玻璃非球面，可校正大视场产生的慧差和畸变，第二透镜2光焦度为负，第三透镜3的光焦度为正，第三透镜的第二面为光阑，并弯向反射镜，可加大后组光线的高度，实现较大投射比；所述第六透镜6的光焦度为负，光焦度φ7满足：0.006≤|φ7|≤0.007，可校正大视场光线带来的象散和畸变；所述第七透镜7的光焦度为正，光焦度φ7满足：0.02≤|φ7|≤0.03使光路在第七透镜后进行第二次成像，实现光路转折，减小后组镜片口径，从而实现非球面反射镜口径的减小；所述第十三透镜13为玻璃非球面，光焦度为负，校正系统的高级像差，减小折射透镜组200与反射镜第二次成像的慧差和像散，使光线经过非球面反射镜后在屏幕上得到高质量的第三次成像。
如图1和图2所示，在本实施例中，所述的非球面反射镜300、第十三透镜13、第七透镜7、第六透镜6和第一透镜1的非球面的表面形状满足以下方程：
在公式中，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；a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数。
以下案例为0.2投射比、分辨率为1080P，适用于0.48英寸DMD芯片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：-0.6388609
a1：0
a2：5.1042098e-007
a3：9.6984967e-011
a4：6.0143671e-016
第十三透镜13的第一面S2的系数为：
k：173.3949
a1：0
a2：7.4939794e-006
a3：6.5526074e-007
a4：3.0972425e-009
a5：1.7352567e-011
第十三透镜13的第二面S3的系数为：
k：-270.5183
a1：0
a2：-3.2512673e-005
a3：-4.1462199e-006
a4：5.6754816e-008
a5：-4.8808366e-010
第七透镜7的第一面S12的系数为：
k：-1.635381
a1：0
a2：-3.0578985e-006
a3：2.9322301e-009
a4：1.3224859e-012
a5：1.8297609e-015
第七透镜7的第二面S13的系数为：
k：-3.407532
a1：0
a2：2.0681184e-006
a3：1.3906546e-009
a4：-3.6279113e-012
a5：-3.3123756e-015
第六透镜6的第一面S14的系数为：
k：4.232081
a1：0
a2：8.5707806e-007
a3：8.1304866e-010
a4：-7.6657053e-013
a5：2.5868896e-015
第六透镜6的第二面S15的系数为：
k：0.2956495
a1：0
a2：-9.1855724e-006
a3：-3.9083242e-009
a4：1.9128279e-011
a5：9.8366311e-015
第一透镜1的第一面S23的系数为：
k：-4.155519
a1：0
a2：8.9430241e-006
a3：-8.6943167e-008
a4：-5.1004605e-009
a5：7.3226902e-011
第一透镜1的第二面S24的系数为：
k：-1.049456
a1：0
a2：-1.780198e-006
a3：-5.7054456e-009
a4：-3.2868198e-009
a5：2.1915015e-011
超短焦投影镜头的投射范围为0.4m至0.6m，超短焦投影镜头对焦时，移动第一透镜组210调整后焦，调整范围为±0.15mm，后焦调整好后，第一透镜组210固定不动，第二透镜组220和第三透镜组230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210与第二透镜组220之间的间隔为8.32～8.54mm,第二透镜组220与第三透镜组230之间的间隔为25.20～25.6mm，第三透镜组230与第四透镜组240之间的间隔为21.45～21.74mm。

Claims (10)

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：DMD芯片(100)、折射透镜组件(200)和非球面反射镜(300)；
所述折射透镜组件(200)包括沿投射方向依次设置的：
能相对DMD芯片(100)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(100)前后移动的第二透镜组(220)，所述第二透镜组(220)的光焦度为负；
能相对DMD芯片(100)前后移动的第三透镜组(230)，所述第三透镜组(230)的光焦度为正；
相对DMD芯片(100)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)、光阑(14)、第四透镜(4)和第五透镜(5)；所述第二透镜组(220)包括第六透镜(6)，第六透镜(6)的两面均弯向DMD芯片(100)；所述第三透镜组(230)包括第七透镜(7)，第七透镜(7)的两面均弯向DMD芯片(100)；所述第四透镜组(240)包括沿投射方向依次设置的第八透镜(8)、第九透镜(9)、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)的光焦度为正，所述第二透镜(2)的光焦度为负，所述第三透镜(3)的光焦度为正，所述第四透镜(4)的光焦度为正，所述第五透镜(5)的光焦度为正，所述第六透镜(6)的光焦度为负，所述第七透镜(7)的光焦度为正，所述第八透镜(8)的光焦度为负，所述第九透镜(9)的光焦度为正，所述第十透镜(10)的光焦度为正，所述第十一透镜(11)的光焦度为正，所述第十二透镜(12)的光焦度为负，所述第十三透镜(13)的光焦度为负。
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，所述的DMD芯片(100)相对于光轴偏离放置，使得DMD芯片(100)的中心与光轴偏离距离为0.9mm-1mm。
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，所述第一透镜组(210)的光焦度满足0.01≤|φ210|≤0.02；所述第二透镜组(220)的光焦度满足0.005≤|φ220|≤0.006；所述第三透镜组(230)的光焦度满足0.02≤|φ230|≤0.03；所述第四透镜组(240)的光焦度满足0.05≤|φ240|≤0.06；所述非球面反射镜(300)的光焦度满足0.06≤|φ300|≤0.07。
6.根据权利要求5所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第三透镜组(230)的光焦度为正，所述第二透镜组(220)的光焦度为负，第三透镜组(230)和第二透镜组(220)为联动组，第三透镜组(230)和第二透镜组(220)的光焦度满足：0.45≤|φ230/φ220|≤0.55，第三透镜组(230)为塑料非球面，第三透镜组(230)的两面均弯向DMD(100)芯片，第二透镜组(220)为塑料非球面，第二透镜组(220)的两面均弯向DMD芯片(100)。
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，所述第六透镜(6)的光焦度为负，光焦度φ6满足：0.006≤|φ6|≤0.007；所述第七透镜(7)的光焦度为正，光焦度φ7满足：0.02≤|φ7|≤0.03。
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，所述第二透镜(2)与所述第三透镜(3)通过光学胶水粘合，所述第八透镜(8)与第九透镜(9)通过光学胶水粘合，所述第十一透镜(11)与第十二透镜(12)通过光学胶水粘合。
9.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，所述的第一透镜(1)、第十三透镜(13)为玻璃非球面，第六透镜(6)、第七透镜(7)、和非球面反射镜(300)为塑胶非球面镜片。
10.根据权利要求9所述的一种超短焦投影光学系统，其特征在于，所述的非球面反射镜(300)、第十三透镜(13)、第七透镜(7)、第六透镜(6)和第一透镜(1)的非球面的表面形状满足以下方程：
在公式中，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；a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数。
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