CN109491053B - 一种微型投影镜头 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种微型投影镜头，包括：第一群组透镜，光阑，第二群组透镜，抖动器件，分光器件，保护玻璃和成像面；所述第一群组透镜为负焦距，所述第二群组透镜为正焦距。本申请公开的一种微型投影镜头，通过光学设计提高相对孔径值的同时又能满足成像质量，对亮度有很大的提升。
Description
技术领域
本申请属于投影镜头技术领域，尤其涉及一种微型投影镜头。
背景技术
投影镜头是投影设备的核心组件：光经过反射式或穿透式的光调变装置后，需要经过投影镜头投射至投影屏上成像。
随着投影设备在生活中扮演的角色越来越大，应用到的领域也会越来越多。更多的设备需要嵌入微型投影设备，这对投影镜头的要求也越来越高，尺寸更小，结构更加紧凑，成像效果更好，成本更低。
目前市面上大部分的微型投影镜头只会适配一种分辨率。为了更好的观看体验，投影行业开发了一个像素“抖动”技术，通俗地讲就是分辨率低的DMD芯片可以通过额外的“抖动”器件（actuator），可以提升显示分辨率，而这个器件是参与成像的，所以投影镜头设计时，必须兼顾器件对光路的影响，器件静止时是固有的分辨率，抖动时是另一种分辨率。一般来说，相对孔径值越小，成像质量越容易满足，但是孔径值小，亮度也随之变小。
发明内容
本申请公开了一种微型投影镜头，通过光学设计提高相对孔径值的同时又能满足成像质量，对亮度有很大的提升。
本申请提供了一种微型投影镜头，所述镜头从放大端至缩小端依次包括：第一群组透镜，光阑，第二群组透镜，抖动器件，分光器件，保护玻璃和成像面；所述第一群组透镜为负焦距，所述第二群组透镜为正焦距。
优选地，所述第一群组透镜的焦距为-320<f9<-317；所述第二群组透镜的焦距为17.25<f10<19.35。
优选地，所述第一群组透镜包括依次排列的第一镜片、第二镜片和第三镜片。
优选地，所述第一镜片为具有负焦距的凸凹型塑料非球面透镜；所述第二镜片为具有负焦距的双凹型玻璃透镜；所述第三镜片为具有正焦距的双凸型玻璃透镜。
优选地，所述第一镜头的两个表面均为非球面且所述第一镜头的凹面朝光阑孔径方向；所述第二镜头的两个表面均为球面且曲率较大的表面背向孔径光阑；所述第三镜头的两个表面均为球面且曲率相同。
优选地，所述第一镜片的焦距为-18.32<f1<-16.32；所述第二镜片的焦距为-37.85<f2<-35.82；所述第三镜片的焦距为22.25<f3<24.25。
优选地，所述第二群组透镜包括依次排列的第四镜片、第五镜片、第六镜片、第七镜片和第八镜片。
优选地，所述第四镜片为具有正焦距的双凹型玻璃透镜；所述第五镜片为具有正焦距的双凸型玻璃透镜；所述第六镜片为具有负焦距的凹凸型玻璃透镜；所述第七镜片为具有正焦距的双凸型玻璃透镜；所述第八镜片为具有正焦距的双凸型玻璃透镜。
优选地，所述第四镜片的两个表面均为球面且曲率较大的表面朝向孔径光阑；所述第五镜片的两个表面均为球面且曲率较大的表面背朝向孔径光阑；所述第六镜片的两个表面均为球面且均面朝向孔径光阑；所述第七镜片的两个表面均为球面且曲率较大的面朝背向孔径光阑；所述第八镜片的两个表面均为非球面且较弯的表面朝向孔径光阑。
优选地，所述第四镜头的焦距为-21.58<f4<-19.58；所述第五镜头的焦距为12.25<f5<14.25；所述第六镜头的焦距为-23.35<f6<-21.35；所述第七镜头的焦距为26.55<f7<28.55；所述第八镜头的焦距为38.45<f8<40.45。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请提供了一种微型投影镜头，镜头从放大端至缩小端依次包括：第一群组透镜，光阑，第二群组透镜，抖动器件，分光器件，保护玻璃和成像面；所述第一群组透镜为负焦距，所述第二群组透镜为正焦距。本申请公开的一种微型投影镜头，通过光学设计提高相对孔径值的同时又能满足成像质量，对亮度有很大的提升。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例中提供的一种微型投影镜头的光学结构图；
图2为本申请实施例中提供的一种微型投影镜头的各视场芯片面传递函数MTF值；
图3为本申请实施例中提供的一种微型投影镜头的场曲与畸变图；
图4为本申请实施例中提供的一种微型投影镜头的垂轴色差图。
具体实施方式
本申请公开了一种微型投影镜头，通过光学设计提高相对孔径值的同时又能满足成像质量，对亮度有很大的提升。
图1为本申请实施例中提供的一种微型投影镜头的光学结构图；本申请提供了一种微型投影镜头，该镜头从放大端至缩小端依次包括：一个具有负焦距的第一群组透镜、光阑、一个具有正焦距的第二群组透镜、抖动器件、分光器件、保护玻璃、成像面；其中，第一群组透镜包括，第一镜片P1为负焦距凹凸型塑料非球面镜、第二镜头G2为负焦距双凹型玻璃透镜、第三镜头G3为正焦距双凸型玻璃透镜；第二群组透镜包括，第四镜头G4为具有正焦距双凹型玻璃透镜、第五透镜G5为正焦距双凸型玻璃透镜、第六透镜G6为负焦距凹凸型玻璃透镜、第七透镜G7为双凸型透镜、第八透镜为GM8双凸型玻璃非球面镜片，其中，由于该镜头的最后一个镜片设置为玻璃非球面镜片，能够有效解决微投镜头由于塑料非球面镜片受热而导致的镜头跑焦的缺陷。
该镜头可适配多种分辨率显示，兼顾了抖动器件对光路的影响；该镜头具有数值孔径大的特点，在实现优良成像的同时，能有效提高亮度；该镜头具有尺寸小、结构紧凑、镜片少的特点；且该镜头的第一面镜片P1为塑料非球面，可以有效矫正畸变的同时，节约成本。
图1中该镜头的初始像源为DMD方案，另选地，也可更换为激光、LCOS、LCD等显示方案；
如图1为该微型投影镜头，分别由负透镜P1，负透镜G2，正透镜G3，光阑孔径，负透镜G4，正透镜G5，负透镜G6，正透镜G7和正透镜GM8，依次从放大端至缩小端排列的方式实现；其中，第一群组透镜焦距满足：-320<f9<-317，第二群组透镜焦距满足：17.25<f10<19.35。
其中，第一镜片P1为采用塑胶材料（nd=1.531，vd=56.04）所制成具有负光焦度的凸凹型透镜，其中凹面朝光阑孔径方向，且两个表面均为非球面；且第一镜片的有效焦距满足：-18.32<f1<-16.32。
第二镜片G2为采用玻璃材料（nd=1.497，vd=81.595）所制成具有负光焦度的双凹透镜，其中较弯曲面朝光阑孔径方向，且两个表面均为球面；且第二镜片的有效焦距满足：-37.85<f2<-35.82；
第三镜片G3为采用玻璃材料（nd=1.846，vd=23.787）所制成具有正光焦度的双凸型透镜，两个表面均为球面且曲率相同；且第三镜片的有效焦距满足：22.25<f3<24.25；
第四镜片G4为采用玻璃材料（nd=1.583，vd=59.456）所制成具有负光焦度的双凹型透镜，其中较凹的面背向孔径光阑，且两个表面均为球面；且第四镜片的有效焦距满足：-21.58<f4<-19.58；
第五镜片G5为采用玻璃材料（nd=1.497，vd=81.595）所制成具有正光焦度的双凸型透镜，其中较平的面朝孔径光阑方面，且两个表面均为球面；且第五镜片的有效焦距满足：12.25<f5<14.25；
第六镜片G6为采用玻璃材料（nd=1.583，vd=5.456）所制成具有负光焦度的弯月型透镜，两个表面均朝向孔径光阑且均为球面；且第六镜片的有效焦距满足：-23.35<f6<-21.35；
第七镜片G7为采用玻璃材料（nd=1.471，vd=66.884）所制成具有正光焦度的双凸型透镜，其中较弯曲的面朝向孔径光阑，且两个表面均为球面；且第七镜片的有效焦距满足：26.55<f7<28.55；
第八镜片GM8为采用玻璃材料（nd=1.589，vd=61.163）所制成具有正光焦度的双凸型透镜，其中较弯曲的面朝向孔径光阑，且两个表面均为非球面；且第八镜片的有效焦距满足：38.45<f8<40.45；
该投影镜头满足以下条件：
为达到上述目的且有效提升该微型投影镜头的光学性能，本申请提供的一种微型投影镜头的具体参数如图表一；其中参数包含各镜片的厚度、间距，各镜片的折射率Nd（Refractive index），曲率半径R（Radius of curvature），数值孔径F/NO，焦距F（FocusLength）以及各镜片的阿贝系数Vd（Abbe number）。
表一
其中有几个镜片的表面为非球面，非球面透镜P1的表面S1、S2和非球面双凸型透镜GM8的表面S14、S15，由非球面公式才能得出球面相对应的
曲线；非球面公式的表达式如下：
；
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表示非球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、A 6、A 8、A 10表示非球面高次项系数。
非球面透镜P1和GM8各阶系数如表二：
表二
参见图2，为本申请实施例中提供的一种微型投影镜头的各视场芯片面传递函数MTF值， MTF(英语名称：Modulation Transfer Function)指标是目前镜头最精确和科学的评价标准。纵坐标为对比度，越接近1，代表镜头成像越完美。横坐标代表分辨率，单位每毫米线对数。本申请采用的像源像素大小为5.4um，对应的设计分辨率为93线对每毫米。投影镜头一般至少要求各个视场的MTF数值在设计分辨率达到0.3以上，而本申请各个视场的MTF值基本在0.5以上。
图3为本申请实施例中提供的一种微型投影镜头的场曲与畸变图，图3里左图为场曲评价图，右图为畸变评价图。纵坐标代表该镜头的视场角度。场曲图的横坐标代表场曲值的大小，畸变图的横坐标代表畸变量。畸变是投影镜头的一个非常重要的指标，一般都需要控制在3%以内，本申请的畸变量在1%以内。
图4为本申请实施例中提供的一种微型投影镜头的垂轴色差图，纵坐标为像高视场值大小，横坐标为数值大小，单位微米。图中以主波长为基准，分别绘制蓝光、红光与绿光（主波长）之间各视场的色差值。投影镜头一般要求色差值在一个像源像素大小以内，本发明的垂轴色差控制在2.3um以内，小于0.5个像素大小（即：2.7um）。
与现有技术相比：
1、本申请的一种微型投影镜头的结构紧凑，成像效果优良，数值孔径大，有助于亮度的提高。
2、本申请的一种微型投影镜头的最后一个镜片采用玻璃非球面，相比现有技术的塑胶非球面，有效的改善了微型投影机受热跑焦问题；且第一镜片为塑料非球面，能够有效降低成本。
3、本申请适配多种分辨率的显示，同时也可应用在多种像源显示方案，如DMD、激光、LCOS、LCD等。
4、本申请实施例的一种微型投影镜头的结构有较大的公差范围，提高镜头的量产良率。
以上对本申请实施例所提供的一种微型投影镜头进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本申请实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (3)
1.一种微型投影镜头，其特征在于，所述镜头从放大端至缩小端依次包括：第一群组透镜，光阑，第二群组透镜，抖动器件，分光器件，保护玻璃和成像面；所述第一群组透镜为负焦距，所述第二群组透镜为正焦距；
所述第一群组透镜的焦距为-320<f9<-317；所述第二群组透镜的焦距为17.25<f10<19.35；
所述第一群组透镜包括依次排列的第一镜片、第二镜片和第三镜片；
所述第一镜片为具有负焦距的凸凹型塑料非球面透镜；所述第二镜片为具有负焦距的双凹型玻璃透镜；所述第三镜片为具有正焦距的双凸型玻璃透镜；
所述第一镜片的焦距为-18.32< f1<-16.32；所述第二镜片的焦距为-37.85<f2<-35.82；所述第三镜片的焦距为22.25<f3<24.25；
所述第二群组透镜包括依次排列的第四镜片、第五镜片、第六镜片、第七镜片和第八镜片；
所述第四镜片为具有负焦距的双凹型玻璃透镜；所述第五镜片为具有正焦距的双凸型玻璃透镜；所述第六镜片为具有负焦距的凹凸型玻璃透镜；所述第七镜片为具有正焦距的双凸型玻璃透镜；所述第八镜片为具有正焦距的双凸型玻璃透镜；
所述第四镜片的焦距为-21.58<f4<-19.58；所述第五镜片的焦距为12.25<f5<14.25；所述第六镜片的焦距为-23.35<f6<-21.35；所述第七镜片的焦距为26.55<f7<28.55；所述第八镜片的焦距为38.45<f8<40.45。
2.根据权利要求1所述的一种微型投影镜头，其特征在于，所述第一镜片的两个表面均为非球面且所述第一镜片的凹面朝光阑孔径方向；所述第二镜片的两个表面均为球面且曲率较大的表面背向孔径光阑；所述第三镜片的两个表面均为球面且曲率相同。
3.根据权利要求1所述的一种微型投影镜头，其特征在于，所述第四镜片的两个表面均为球面且曲率较大的表面朝向孔径光阑；所述第五镜片的两个表面均为球面且曲率较大的表面朝向孔径光阑；所述第六镜片的两个表面均为球面且均面朝向孔径光阑；所述第七镜片的两个表面均为球面且曲率较小的表面朝向孔径光阑；所述第八镜片的两个表面均为非球面且较弯的表面朝向孔径光阑。
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