CN109270668B - 远心投影镜头及图像输出设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种远心投影镜头及图像输出设备，涉及投影镜头领域。该远心投影镜头包括：第一透镜群组、第二透镜群组、第三透镜群组和棱镜，其中，第一透镜群组靠近物面、第三透镜群组靠近像面、第二透镜群组设于第一透镜群组和第三透镜群组之间、棱镜设于第三透镜群组和像面之间。第一透镜群组、第二透镜群组第三透镜群的光轴重合。第一透镜群组具有负屈光度，第二透镜群组具有正屈光度，第三透镜群组具有正屈光度，其中，所述第一透镜群组、所述第二透镜群组、所述第三透镜群组组成远心结构。实现了投影镜头焦距短、镜头尺寸小，结构紧凑，同时提升了成像质量，而且大量生产时的成本降低。

Description

远心投影镜头及图像输出设备
技术领域
本发明涉及投影镜头技术领域，具体而言，涉及一种远心投影镜头及图像输出设备。
背景技术
投影仪在教学、生活、工作中使用的越来越广泛，投影仪的投影质量是评判投影仪优劣的关键因素，投影镜头是投影仪光路的最后一部分，投影镜头的品质决定着投影的质量，改善投影镜头的素质，能够直接提升投影仪的投影质量。
投影镜头朝微投影方向发展的过程中，对投影镜头的要求越来越高，现有技术中的镜头结构宽松，镜头尺寸大，且解像力欠佳，亮度不足，量产成本高，已无法满足现在对投影仪小型化、短焦化的需求。
因此，需要一种结构紧凑、投影效果好、适合大量生产的投影镜头。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种远心投影镜头及图像输出设备，以解决投影镜头尺寸大、投影效果差、大量生产成本高的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种远心投影镜头，包括：
第一透镜群组、第二透镜群组、第三透镜群组和棱镜，其中，第一透镜群组靠近物面、第三透镜群组靠近像面、第二透镜群组设于第一透镜群组和第三透镜群组之间、棱镜设于第三透镜群组和像面之间。第一透镜群组、第二透镜群组、第三透镜群组和棱镜的光轴重合。第一透镜群组具有负屈光度，第二透镜群组具有正屈光度，第三透镜群组具有正屈光度，其中，所述第一透镜群组、所述第二透镜群组、所述第三透镜群组组成远心结构。
进一步地，第一透镜群组包括：第一负弯月透镜、第二负弯月透镜，其中，第一负弯月透镜靠近物面设置、第二负弯月透镜靠近像面设置。第一负弯月透镜和第二负弯月透镜具有负屈光度。第一负弯月透镜的物方表面为凸面、像方表面为凹面且均为非球面。第二负弯月透镜的物方表面为凸面、像方表面为凹面且均为球面。
进一步地，第二透镜群组包括第一双凸透镜。第一双凸透镜具有正屈光度。第一双凸透镜的物方表面和像方表面均为凸面且均为球面。
进一步地，第三透镜群组包括：第一胶合透镜、第二双凸透镜，其中，第一胶合透镜靠近物面设置、第二双凸透镜靠近像面设置。第一胶合透镜具有负屈光度，包括第一双凹透镜和第三双凸透镜，第一双凹透镜的像方表面与第三双凸透镜的物方表面贴合。第一双凹透镜的物方表面、第三双凸透镜的像方表面、以及第一双凹透镜与第三双凸透镜的贴合表面均为球面。第二双凸透镜具有正屈光度，第二双凸透镜的物方表面和像方表面均为凸面且均为非球面。
进一步地，还包括光阑，光阑设置于第二透镜群组、第三透镜群组之间，用于控制光线的通过量。
进一步地，还包括保护镜片，保护镜片设于棱镜和像面之间，用于保护像面放置的成像元器件。
可选地，4.5<TTL/f<7.5，其中，TTL为镜头总长，表示第一透镜群组物方表面到像面的距离，f为镜头有效焦距。
可选地，BFL/f>2.2，其中，BFL为镜头后焦距，表示第三透镜群组像方表面到像面的距离，f为镜头有效焦距。
可选地，当物面与远心投影镜头之间的距离改变时，调整第一透镜群组、第二透镜群组、第三透镜群组与像面之间的距离，获得清晰的影像。
第二方面，本发明实施例还提供了一种图像输出设备，包括第一方面的远心投影镜头。
本发明的有益效果是：通过第一透镜群组、第二透镜群组、第三透镜群组构成像方远心结构，光线经过第一透镜群组、第二透镜群组、第三透镜群组折射后，实现了远心光路，因此焦距短、镜头尺寸小，结构紧凑，同时具有投射比小、像面照度均匀、对比度好、能量利用率高的效果，提升了成像质量，而且组装公差松散，易于生产组装，大量生产时的成本降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施例提供的远心投影镜头结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的远心投影镜头镜面示意图；
图3为本发明一实施例场景一提供的远心投影镜头场曲和畸变像差图；
图4为本发明一实施例场景一提供的远心投影镜头调制传递函数(ModulationTransfer Function，MTF)曲线图；
图5为本发明一实施例场景一提供的远心投影镜头垂轴色差图；
图6为本发明一实施例场景二提供的远心投影镜头场曲和畸变像差图；
图7为本发明一实施例场景二提供的远心投影镜头MTF曲线图；
图8为本发明一实施例场景二提供的远心投影镜头垂轴色差图；
图9为本发明实施例提供的一种图像输出设备的结构示意图。
图标：1-第一透镜群组；11-第一负弯月透镜；12-第二负弯月透镜；2-第二透镜群组；21-第一双凸透镜；3-第三透镜群组；31-第一双凹透镜；32-第三双凸透镜；33-第二双凸透镜；4-光阑；5-棱镜；6-保护镜片；7-数字微镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，同时，像方和物方为共轭关系，在本发明中，为了表述清晰，以第一透镜所在的一方为物方，以第六透镜所在的一方为像方，但不以此为限。
图1为本发明一实施例提供的远心投影镜头结构示意图。
如图1所示，该远心投影镜头包括：
第一透镜群组1、第二透镜群组2、第三透镜群组3和棱镜5，其中，第一透镜群1组靠近物面、第三透镜群组3靠近像面、第二透镜群组2设于第一透镜群组1和第三透镜群组3之间、棱镜5设于第三透镜群组3和像面之间。
其中，上述棱镜5为分光棱镜，用于转折光路，例如，在远心投影镜头的使用中，存在照明光路和成像光路，通过分光棱镜将照明光路与成像光路进行连接，构成完整的投影光路。
第一透镜群组1、第二透镜群组2、第三透镜群组3和棱镜5的光轴重合。第一透镜群组1具有负屈光度，第二透镜群组2具有正屈光度，第三透镜群组3具有正屈光度，其中，所述第一透镜群组1、所述第二透镜群组2、所述第三透镜群组3组成远心结构。
其中，远心结构指光线经过镜头后，主光线与光轴接近平行，在本实施例中，光线经过镜头后主光线与光轴的夹角小于1°。
需要说明的是，上述透镜群组指的是至少一片透镜组成的透镜组合，以至少一片的透镜达到透镜群组所需满足的光学性能，透镜群组中的透镜数量和种类不做限制，以能够达到所述的光学性能为准。
本发明实施例提供的远心投影镜头，通过第一透镜群组、第二透镜群组、第三透镜群组构成像方远心结构，光线经过第一透镜群组、第二透镜群组、第三透镜群组折射后，实现了远心光路，因此焦距短、镜头尺寸小，结构紧凑，同时具有投射比小、像面照度均匀、对比度好、能量利用率高且的效果，提升了成像质量，而且组装公差松散，易于生产组装，大量生产时的成本降低。
为了更好的说明图1中所示远心投影镜头的结构及其镜面参数，下面给出一种可能的实现方式进行说明。
具体的，图2为本发明一实施例提供的远心投影镜头镜面示意图。
结合图1、图2所示，第一透镜群组1包括：第一负弯月透镜11、第二负弯月透镜12，其中，第一负弯月透镜11靠近物面设置、第二负弯月透镜12靠近像面S15设置。
第一负弯月透镜11和第二负弯月透镜12具有负屈光度。第一负弯月透镜11的物方表面S1为凸面、像方表面S2为凹面且均为非球面。第二负弯月透镜12的物方表面S3为凸面、像方表面S4为凹面且均为球面。
需要说明的是，本文中使用f表示焦距，单位为毫米；R表示光学透镜的表面曲率半径，单位为毫米；D为对应光学表面到后一个光学表面的轴上距离，单位为毫米；Nd为对应光学透镜对d光(光的波长为587nm)的折射率，Vd为d光对应的光学透镜的阿贝数。
在本实施例中，第一负弯月透镜11的材质为塑料，焦距满足-21.4<f<-15.1；折射率满足：1.50<Nd<1.65；阿贝数满足：22<Vd<60。
其中，第一负弯月透镜11为非球面镜，使用非球面镜可以有效的提升镜头成像品质，透镜的非球面可以由如下公式表示：
Figure BDA0001891272900000091
其中：Z表示非球面上的点离非球面顶点在光轴方向的距离，r表示非表面上的点到光轴的距离，c表示非球面的中心曲率，k表示圆锥率，a4、a6、a8、a10、a12表示非球面高次项系数。
第二负弯月透镜12的材质为玻璃，焦距满足：-21.7<f<-18.5，折射率满足：1.48<Nd<1.6，阿贝数满足：55<Vd<85。
可选的，第一负弯月透镜11的材质还可以为玻璃、石英等满足光学性能的材质，第二负弯月透镜12的材质还可以为塑料、石英等满足光学性能的材质。
第二透镜群组2包括第一双凸透镜21。
第一双凸透镜21具有正屈光度。第一双凸透镜21的物方表面S5和像方表面S6均为凸面且均为球面。
其中，第一双凸透镜21的材质为玻璃，焦距满足：8.2<f<12.1，折射率满足：1.75<Nd<1.92，阿贝数满足：30<Vd<40。
可选的，第一双凸透镜21的材质还可以为塑料、石英等满足光学性能的材质。
第三透镜群组3包括：第一胶合透镜、第二双凸透镜33，其中，第一胶合透镜靠近物面设置、第二双凸透镜33靠近像面S15设置。第一胶合透镜具有负屈光度，包括第一双凹透镜31和第三双凸透镜32，第一双凹透镜31的像方表面与第三双凸透镜32的物方表面贴合。第一双凹透镜31的物方表面S7、第三双凸透镜32的像方表面S9、以及第一双凹透镜31与第三双凸透镜32的贴合表面S8均为球面。第二双凸透镜33具有正屈光度，第二双凸透镜33的物方表面S10和像方表面S11均为凸面且均为非球面。
可选的，第一双凹透镜31和第三双凸透镜32第一胶合透镜的材质为玻璃。
其中，第一双凹透镜31和第三双凸透镜32组成双胶合透镜，组成的双胶合透镜后，该双胶合透镜的焦距满足：-60<f<-20，第一双凹透镜31的折射率满足：1.75<Nd<1.95，第三双凸透镜32的折射率满足：1.50<Nd<1.75。第一双凹透镜31的阿贝数满足：22<Vd<35，第三双凸透镜32的阿贝数满足：45<Vd<65。
可选的，第一双凹透镜31和第三双凸透镜32的材质还可以为塑料、石英等满足光学性能的材质。
第二双凸透镜33的材质为玻璃，焦距满足：7.5<f<10.2，折射率满足：1.65<Nd<1.75，阿贝数满足：45<Vd<57。
其中，第二双凸透镜33为玻璃材质的非球面镜，其非球面的表示方式与上述的公式相同，在此不再赘述。在镜头中使用玻璃材质的非球面镜，不仅可以提升镜头成像品质，还可以解决镜头热失焦问题。
可选的，第二双凸透镜33的材质还可以为塑料、石英等满足光学性能的材质。
进一步地，该远心投影镜头还包括光阑4，光阑4设置于第二透镜群组2、第三透镜群组3之间，用于控制光线的通过量。
在本实施例中，将光阑4设置于第二透镜群组2与第三透镜群组3之间，使得镜头整体结构相对对称，能够有效地平衡彗差和畸变，提高镜头的成像质量。
可选地，对于本发明实施例中的光阑4，其设置的位置还可以在第一透镜群组1和第二透镜群组2之间，其具体位置，可以根据产品需求进行定义。其最终实现的形式，本领域技术人员在阅读本发明实施例给出的方案后，无需创造性劳动即可获得。
进一步地，该远心投影镜头还包括保护镜片6，保护镜片6设于棱镜5和像面S15之间，用于保护像面S15放置的成像元件。
成像元件包括DMD7，DMD7与保护镜片6一体成型。
可选地，4.5<TTL/f<7.5，其中，TTL为镜头总长，表示第一透镜群组1物方表面到像面S15的距离，f为镜头有效焦距。
在本实施例中，为了达到减小镜头尺寸，需要对镜头总长做一定的限制，镜头的有效焦距在镜头结构确定后为常量，因此将TTL/f限制在4.5-7.5之间，限制了镜头总长的范围，该范围能够在保证了镜头总长和透射比的情况下，平衡镜头总长与像差，使之处于一个较优的范围内。
可选地，BFL/f>2.2，其中，BFL为镜头后焦距，表示第三透镜群组3像方表面到像面S15的距离，f为镜头有效焦距。
在本实施例中，为了有足够的空间放置棱镜5，需要对镜头后焦距做一定的限制，当BFL/f>2.2时，第二双凸透镜33与像面S15之间有足够的空间放置棱镜5。
可选地，当物面与远心投影镜头之间的距离改变时，调整第一透镜群组1、第二透镜群组2、第三透镜群组3与像面S15之间的距离，获得清晰的影像。
在本实施例中，由于镜头投影出的影像照射在显示介质上时，显示介质所处的平面与物面不在同一平面，导致投射的影像出现模糊的情况，此时，需要进行调焦操作，例如，通过调整第一透镜群组1、第二透镜群组2、第三透镜群组3与像面S15之间的距离，来改变物面所在平面的位置，以获得清晰的影像，其中，在调整第一透镜群组1、第二透镜群组2、第三透镜群组3与像面S15之间的距离时，第一透镜群组1、第二透镜群组2、第三透镜群组3之间的距离保持不变。
可选的，调焦操作还可以通过改变第一透镜群组1、第二透镜群组2、第三透镜群组3之间的距离来实现，调焦操作具体如何实现，在此不做限制。
本发明提供的远心投影镜头存在多种可能的实现方式，以场景一和场景二为例，对该远心投影镜头进行说明。场景一和场景二中的参数仅为远心投影镜头的实现方式举例，而并非限制必须如此设置。
场景一
参考图1和图2，场景一中，第一透镜群组1、第二透镜群组2、第三透镜群组3的各个镜片、棱镜5、保护镜片6、DMD7的参数如下表所示：
Figure BDA0001891272900000141
Figure BDA0001891272900000151
第一负弯月透镜11和第二双凸透镜33为非球面镜，其各阶系数，如下表所示：
Figure BDA0001891272900000152
该远心投影镜头的焦距f＝6.27mm，总长TTL＝38.3mm，光圈FNo.＝1.7，其中，光圈为相对孔径的倒数。需要说明的是，相对孔径为入瞳直径和焦距的比值，入瞳直径为光阑4对它前面的光学系统所成像的直径。
图3为本发明一实施例场景一提供的远心投影镜头场曲和畸变像差图。
如图3所示，本实施例场景一提供的远心投影镜头场曲小于0.05mm，最大畸变为0.8％。
图4为本发明一实施例场景一提供的远心投影镜头MTF曲线图。
如图4所示，本实施例场景一提供的远心投影镜头的全视场在93lp/mm空间频率下的MTF>48％。
图5为本发明一实施例场景一提供的远心投影镜头垂轴色差图。
如图5所示，本实施例场景一提供的远心投影镜头的成像系统垂轴色差最大为3.6μm。
由上述参数可知，场景一提供的远心投影镜头畸变小、MTF表现优异，垂轴色差小，焦距短，解像力强，光圈达到F1.7，具有优秀的成像品质，并解决了一定程度的热失焦问题。
场景二
参考图1和图2，场景二中，第一透镜群组1、第二透镜群组2、第三透镜群组3的各个镜片、棱镜5、保护镜片6、DMD7的参数如下表所示：
Figure BDA0001891272900000161
Figure BDA0001891272900000171
第一负弯月透镜11和第二双凸透镜33为非球面镜，其各阶系数，如下表所示：
Figure BDA0001891272900000172
该远心投影镜头的焦距f＝6.30mm，总长TTL＝37.8mm，光圈FNo.＝1.7，其中，光圈为相对孔径的倒数。需要说明的是，相对孔径为入瞳直径和焦距的比值，入瞳直径为光阑4对它前面的光学系统所成像的直径。
图6为本发明一实施例场景二提供的远心投影镜头场曲和畸变像差图。
如图6所示，本实施例场景二提供的远心投影镜头场曲小于0.05mm，最大畸变为1.0％。
图7为本发明一实施例场景二提供的远心投影镜头MTF曲线图。
如图7所示，本实施例场景二提供的远心投影镜头的全视场在93lp/mm空间频率下的MTF>45％。
图8为本发明一实施例场景二提供的远心投影镜头垂轴色差图。
如图8所示，该成像系统垂轴色差最大为4.0μm。
由上述参数可知，场景二提供的远心投影镜头畸变小、MTF表现优异，垂轴色差小，焦距短，解像力强，光圈达到F1.7，具有优秀的成像品质，并解决了一定程度的热失焦问题。
进一步地，对于上述实施例提供的远心投影镜头，其可以被应用于图像输出设备，例如，台式投影仪、编写投影仪或其他具备投影功能的终端产品，下面给出一种可能的实现方式，对图像输出设备进行说明。
图9为本发明实施例提供的一种图像输出设备的结构示意图。
如图9所示，该设备包括：远心投影镜头901、光源903、成像元件902。
其中，光源用于照射在成像元件上，并通过远心投影镜头将成像元件上的图像投射出去。
可选地，该设备可能还具备：处理器、存储器、射频电路和其他相关的输入/输出组件，用于实现该设备的相应功能，此处不予限定。
该图像输出设备使用了上述的远心投影镜头，因此有益效果与之相似，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种远心投影镜头，其特征在于，包括：
第一透镜群组、第二透镜群组、第三透镜群组和棱镜，其中，所述第一透镜群组靠近物面、所述第三透镜群组靠近像面、所述第二透镜群组设于所述第一透镜群组和所述第三透镜群组之间、所述棱镜设于所述第三透镜群组和像面之间；
所述第一透镜群组、所述第二透镜群组、所述第三透镜群组和所述棱镜的光轴重合；
所述第一透镜群组具有负屈光度，所述第二透镜群组具有正屈光度，所述第三透镜群组具有正屈光度，其中，所述第一透镜群组、所述第二透镜群组、所述第三透镜群组组成远心结构；
所述第一透镜群组包括：
第一负弯月透镜、第二负弯月透镜，其中，所述第一负弯月透镜靠近物面设置、所述第二负弯月透镜靠近像面设置；
所述第一负弯月透镜和所述第二负弯月透镜具有负屈光度；
所述第一负弯月透镜的物方表面为凸面、像方表面为凹面且均为非球面；
所述第二负弯月透镜的物方表面为凸面、像方表面为凹面且均为球面；
所述第二透镜群组包括：
第一双凸透镜；
所述第一双凸透镜具有正屈光度；
所述第一双凸透镜的物方表面和像方表面均为凸面且均为球面；
所述第三透镜群组包括：
第一胶合透镜、第二双凸透镜，其中，所述第一胶合透镜靠近物面设置、所述第二双凸透镜靠近像面设置；
所述第一胶合透镜具有负屈光度，包括第一双凹透镜和第三双凸透镜，所述第一双凹透镜的像方表面与所述第三双凸透镜的物方表面贴合；
所述第一双凹透镜的物方表面、所述第三双凸透镜的像方表面、以及所述第一双凹透镜与所述第三双凸透镜的贴合表面均为球面；
所述第二双凸透镜具有正屈光度，所述第二双凸透镜的物方表面和像方表面均为凸面且均为非球面。
2.如权利要求1所述的远心投影镜头，其特征在于，还包括光阑，所述光阑设置于所述第二透镜群组、所述第三透镜群组之间，用于控制光线的通过量。
3.如权利要求2所述的远心投影镜头，其特征在于，还包括保护镜片，所述保护镜片设于所述棱镜和像面之间，用于保护像面放置的成像元器件。
4.如权利要求3所述的远心投影镜头，其特征在于，4.5<TTL/f<7.5，其中，TTL为镜头总长，表示所述第一透镜群组物方表面到像面的距离，f为镜头有效焦距。
5.如权利要求4所述的远心投影镜头，其特征在于，BFL/f>2.2，其中，BFL为镜头后焦距，表示所述第三透镜群组像方表面到像面的距离，f为镜头有效焦距。
6.如权利要求1所述的远心投影镜头，其特征在于，当物面与所述远心投影镜头之间的距离改变时，调整所述第一透镜群组、所述第二透镜群组、所述第三透镜群组与像面之间的距离，获得清晰的影像。
7.一种图像输出设备，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的远心投影镜头。
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