CN109491060B - 一种用于桌面投影的超短焦物镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于桌面投影的超短焦物镜，包括：显示芯片，用于显示待投影物面；折射透镜组，设置于所述显示芯片的成像光路上，包括位于同一主光轴上的多个球面透镜和非球面透镜，用于平衡所述投影物面光线经过所述折射透镜组形成的像差；反射镜组，用于减小所述折射透镜组引起的场曲和畸变，反射由所述折射透镜组出射的成像光束，使图像成像于桌面上。本发明通过多个球面透镜和两个非球面透镜配合，平衡投影物面光线经过折射透镜组形成的像差；通过反射镜组减小场曲和畸变，并反射光线，实现短距离和高质量的投影大图像。

Description

一种用于桌面投影的超短焦物镜

技术领域

本发明涉及光电显示行业中的投影技术，尤其涉及用于成像显示的超短焦投影镜头系统。

背景技术

随着半导体技术的快速发展，数字光处理(DLP)投影仪，液晶显示(LCD)投影仪、硅晶(LCoS)投影仪等投影仪器在提高像素的同时，也在朝着小型化的方向发展，以满足消费者对投影画面品质以及便携性的要求。超短焦投影技术由于其在短距离内能够投影大画面、提高空间利用率的优势，在短焦投影市场上得到了广泛的关注。

目前市场上的超短焦投影镜头包括三种方式：反射式，折射式，混合式。由于投影镜头主要采用的是折射透镜，难以避免像面会产生畸变、色差、彗差等像差。混合式的超短焦投影镜头通过最后的反射镜来减少折射透镜组引起的场曲和畸变，提高成像的质量。

目前市场上推出的一些超短焦投影镜头为了降低了生产成本和装配难度，放弃了非球面透镜以及双胶合透镜结构，但是也由此造成了一些缺陷，一方面增加了球面透镜的使用数量，降低了系统的便利性；另一方面也增加了系统的像差，成像质量相对较差。

目前市场上的超短焦投影镜头大多是使用在墙面投影的镜头，在桌面上实现投影的超短焦物镜的系统并不常见，而这种镜头在一些交互式智能音箱、游戏机等设备中的使用需求日渐增大。

发明内容

本发明提供一种用于桌面投影的超短焦物镜，采用了适量的双胶合透镜和非球面透镜，在保持生产加工便利性的同时，提高了成像的质量，能够实现短距离投影大图像。

本发明提供一种用于桌面投影的超短焦物镜，包括：

显示芯片，用于显示待投影物面；

折射透镜组，设置于所述显示芯片的成像光路上，所述透镜组包括多个球面透镜及非球面透镜，光线经过不同的球面透镜会产生正像差和负像差，通过多个透镜的配合作用，可以平衡投影物面光线经过折射透镜组产生的像差；

反射镜组，位于所述折射透镜组背离所述显示芯片的一侧，用于减小所述折射透镜组引起的场曲和畸变，并反射光线，在桌面上形成放大的投影像面。

可选地，还包括：折射棱镜，设置于所述显示芯片和所述显示折射透镜组之间，用于扩大成像光束的照射角度；

可选地，所述折射透镜组包括沿光路排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜和第十一透镜；所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为双凸透镜，所述第三透镜为平凹透镜，所述第四透镜为凸凹透镜，所述第五透镜为凹凸透镜，所述第六透镜为凹凸透镜，所述第七透镜为凸凹透镜；所述第八透镜为双凸透镜，所述第九透镜为凹凸透镜，所述第十透镜为双凹的非球面透镜，所述第十一透镜为凸凹的非球面透镜。

各透镜光学中心位于同一主光轴上，其中加入的两片非球面透镜的折射率分别为1.64和1.49，在一定程度上节省了整个系统的透镜使用量，同时也提高了系统的性能，减小了像差。

可选地，孔径光阑设置于所述第七透镜与第八透镜之间，用于控制景深、成像物空间的范围以及像的亮度。

所述折射透镜组和所述孔径光阑在同一主光轴上，显示芯片相对主光轴有偏置，反射镜组相对于主光轴有偏置。

可选地，所述第二透镜和所述第三透镜胶合为一个整体，所述第四透镜和所述第五透镜胶合为一个整体，所述第六透镜和所述第七透镜胶合为一个整体。

可选地，所述第二透镜的厚度大于所述第三透镜的厚度；所述第二透镜的折射率小于所述第三透镜的折射率；所述第二透镜的阿贝数大于所述第三透镜的阿贝数；所述第四透镜的厚度小于所述第五透镜的厚度；所述第四透镜的折射率大于所述第五透镜的折射率；所述第四透镜的阿贝数小于所述第五透镜的阿贝数；所述第六透镜的厚度大于所述第七透镜的厚度；所述第六透镜的折射率小于所述第七透镜的折射率；所述第六透镜的阿贝数大于所述第七透镜的阿贝数。

可选地，所述折射透镜组只包含两个非球面透镜，能降低系统的公差敏感性，有效减少生产、检验和装配成本。

可选地，非球面透镜为偶次非球面，且非球面系数的阶数不超过十阶。

可选地，所述第十透镜的材质为高折射率材料OKP1，所述第十一透镜的材质为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。

可选地，所述反射镜组包括平面反射镜和非球面反射镜。

可选地，所述非球面反射镜为凹面，且非球面系数的阶数不超过十二阶，其面型由下式确定；

其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为曲面点坐标在垂直于光轴平面的投影与光轴的距离，k为圆锥系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈表示偶次项对应的系数。

可选地，所述显示芯片为数字微镜器件DMD，包含1080P、WXGA、XGA等各种分辨率。

所述显示芯片、折射透镜组和反射镜组过程的投影物镜系统能提供6.615mm的最大视场(物面高度)，放大倍率约为55～65倍，像空间NA为0.0066，后焦81.14mm，满足在1080P、WXGA、XGA等各分辨率下的高质量成像。

本发明的优点是，能够在桌面上实现短距离投影大图像，并提高成像质量。设计过程中使用了两片易加工的非球面透镜和一片非球面反射镜，其余全部采用球面透镜，最大地减少了机械结构的装配带来的误差。整个系统全部采用常用环保玻璃，结构简单，零件工艺好，性价比高，适合规模化生产。

附图说明

图1是本发明超短焦物镜系统的具体结构示意图；

图2是本发明超短焦物镜系统的整体成像示意图；

图3是本发明超短焦物镜系统在屏幕上各视场的MTF曲线；

图4是本发明超短焦物镜系统在视场1的畸变图。

具体实施方式

为使本发明的结构、特征及优点更加清晰明了，现结合附图对本发明作进一步详细说明，但不应理解为对本发明保护范围的任务限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明超短焦物镜的具体结构示意图。该超短焦物镜包括：显示芯片100，折射透镜组200和反射镜组300。

显示芯片100是一种数字微镜器件DMD，用于调制从投影机照明系统出射的光束，以显示微图像，且用于充当物镜的物面，本发明支持1080P、WXGA、XGA等各种分辨率的DMD芯片，均能满足高质量成像。折射棱镜120设置于显示芯片110和折射透镜组200之间，用于扩大成像光束的照射角度。

折射透镜组200，设置于显示芯片100的成像光路上，用于平衡系统的像差，包括沿光路依次排列的第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204、第五透镜205、第六透镜206、第七透镜207、第八透镜208、第九透镜209、第十透镜210和第十一透镜211。第一透镜201为双凸透镜，第二透镜202为双凸透镜，第三透镜203为平凹透镜，第四透镜204为凸凹透镜，第五透镜205为凹凸透镜，第六透镜206为凹凸透镜，第七透镜207为凸凹透镜。第八透镜208为双凸透镜，第九透镜209为凹凸透镜，第十透镜210为双凹的非球面透镜，第十一透镜211为凸凹的非球面透镜。孔径光阑220设置于第七透镜207和第八透镜208之间，可以提高成像清晰度，控制景深，改善成像质量，并且还能控制成像物空间的范围以及控制像面的亮度。

反射镜组300，设置于折射透镜组200之后，包括依次设置的平面反射镜310和非球面反射镜320；用于校准折射透镜组200的场曲和畸变，并反射成像光束，使图像成像于桌面上。

可选的，第二透镜202和第三透镜203胶合为一个整体，第四透镜204和第五透镜205胶合为一个整体，第六透镜206和第七透镜207胶合为一个整体，可以进一步地改善系统的场曲和畸变像差。

可选的，第十透镜210为双凹面偶次非球面透镜，非球面阶数不超过12阶。第十一透镜211为凸凹面偶次非球面透镜，非球面阶数不超过12阶。第十一透镜211的材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)。第一透镜201到第十透镜210的材料均采用常用环保型玻璃。反射镜组300用来校正折射透镜组200的残留像差，可以改善像质和减小畸变，以及通过反射来放大图像，将图像成像在桌面上。示例性的，表1为本发明中的第一透镜到第十一透镜的参数。

表1：

其中，非球面镜(包括第十透镜、第十一透镜和非球面反射镜)使用以下公式表征非球面面型：

其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为曲面点坐标在垂直于光轴平面的投影与光轴的距离，k为圆锥系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈表示偶次项对应的系数，其具体参数如表2所示。

表2：

surface

conic

a<sub>1</sub>

a<sub>2</sub>

a<sub>3</sub>

a<sub>4</sub>

a<sub>5</sub>

a<sub>6</sub>

a<sub>7</sub>

a<sub>8</sub>

21

-9.02

0

-7.60e-4

-2.00e-5

-6.67e-7

1.08e-8

1.78e-11

-3.64e-12

-3.25e-15

22

-21.5

0

-1.67e-4

2.13e-6

-6.66e-8

-3.29e-10

1.42e-11

-2.88e-14

-1.11e-15

23

-0.48

0

-4.68e-4

-2.04e-8

4.45e-8

2.74e-9

-9.64e-12

-3.71e-13

2.13e-15

24

-0.16

0

-4.75e-5

-5.78e-7

2.08e-8

-1.58e-10

1.45e-13

2.85e-14

-1.44e-16

28

-2.15

0

3.69e-6

-1.01e-9

2.33e-13

-8.79e-17

1.64e-19

-9.32e-23

1.80e-26

本发明超短焦物镜系统可以达到的性能参数为：6.615mm的最大视场(物面高度)，放大倍率55～65倍，像空间NA为0.0066，后焦81.14mm，满足在1080P、WXGA、XGA等各种分辨率下的高质量成像。

图2为本发明超短焦物镜的整体成像示意图。如图2所示，来自投影机中照明系统的光束经过显示芯片100反射，其出射光线带有一定角度和孔径，这些光线被后续经过光学成像原理设计的折射透镜组200接收，即满足照明系统和成像系统的光瞳匹配原则。折射透镜组200的作用是校正平衡整个成像系统特定的像差：球差、彗差、象散、色差，但会留下特定的未校正平衡的像差：场曲、畸变。因此，光线在经过折射透镜组200后，只剩下场曲和畸变两种像差未处理。之后，光线进一步射入反射镜组300，反射后出射，成像于屏幕(桌面)400，得到清晰高质量的大画面。其中，反射镜组300中的非球面反射镜的面型是经过特殊数学算法计算拟合而来，作用是校正平衡折射透镜组200残留的场曲、畸变两种像差，并通过两次反射将图像投影在桌面上；至此整个超短焦物镜系统的所有基本像差校正完毕，得到屏幕400上的清晰高质量画面。

图3是本发明超短焦物镜在屏幕400上各视场的传递函数MTF曲线，采用的是0.65英寸DMD显示芯片，分辨率为1920×1080，即1080P，像素大小为7.56微米，因此对应屏幕上的空间频率为0.51p/mm，即图3的横坐标所示。根据人眼视觉分辨原理，在该空间频率下MTF的数值大于0.3即可在屏幕上看到清晰的图像，图中MTF曲线横坐标0.5p/mm对应的纵坐标值均大于0.5，因而可以实现高清质量画面成像。

图4是本发明超短焦物镜在视场1中的畸变图。可以从图上看出，水平方向几乎没有畸变，竖直方向的畸变也较小，系统整体的畸变得到了很好的控制。

本发明提供的超短焦物镜能在很短的距离内，动态调节投影画面大小的同时，在桌面上实现高质量画面投影显示。设计过程中使用了三片双胶合透镜，使用了两片易加工的非球面透镜和一片非球面反射镜，最大地减少了机械结构的装配带来的误差，大幅度降低了加工难度，适合大规模生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，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 (9)

1.一种用于桌面投影的超短焦物镜，其特征在于，包括：

显示芯片，用于显示待投影物面；

折射透镜组，设置于所述显示芯片的成像光路上，包括位于同一主光轴上的多个球面透镜和非球面透镜，用于平衡所述投影物面光线经过所述折射透镜组形成的像差；

反射镜组，用于减小所述折射透镜组引起的场曲和畸变，反射由所述折射透镜组出射的成像光束，使图像成像于桌面上；

所述折射透镜组包括沿光路依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜和第十一透镜；

所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为双凸透镜，所述第三透镜为平凹透镜，所述第四透镜为凸凹透镜，所述第五透镜为凹凸透镜，所述第六透镜为凹凸透镜，所述第七透镜为凸凹透镜，所述第八透镜为双凸透镜，所述第九透镜为凹凸透镜，所述第十透镜为双凹的非球面透镜，所述第十一透镜为凸凹的非球面透镜。

2.如权利要求1所述的用于桌面投影的超短焦物镜，其特征在于，所述显示芯片与折射透镜组间设有折射棱镜，用于扩大成像光束的照射角度。

3.如权利要求1所述的用于桌面投影的超短焦物镜，其特征在于，所述第七透镜与所述第八透镜间设有孔径光阑，用于控制景深、成像物空间的范围以及像的亮度。

4.如权利要求1所述的用于桌面投影的超短焦物镜，其特征在于，所述第二透镜和所述第三透镜胶合为一个整体，所述第四透镜和所述第五透镜胶合为一个整体，所述第六透镜和所述第七透镜胶合为一个整体。

5.如权利要求1所述的用于桌面投影的超短焦物镜，其特征在于，所述第二透镜的厚度大于所述第三透镜的厚度；所述第二透镜的折射率小于所述第三透镜的折射率；所述第二透镜的阿贝数大于所述第三透镜的阿贝数；所述第四透镜的厚度小于所述第五透镜的厚度；所述第四透镜的折射率大于所述第五透镜的折射率；所述第四透镜的阿贝数小于所述第五透镜的阿贝数；所述第六透镜的厚度大于所述第七透镜的厚度；所述第六透镜的折射率小于所述第七透镜的折射率；所述第六透镜的阿贝数大于所述第七透镜的阿贝数。

6.如权利要求1所述的用于桌面投影的超短焦物镜，其特征在于，所述第十透镜的材质为OKP1，所述第十一透镜的材质为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。

7.如权利要求1所述的用于桌面投影的超短焦物镜，其特征在于，非球面透镜为偶次非球面，且非球面系数的阶数不超过十阶。

8.如权利要求1所述的用于桌面投影的超短焦物镜，其特征在于，所述的反射镜组包括依次设置的平面反射镜和非球面反射镜。

9.如权利要求8所述的用于桌面投影的超短焦物镜，其特征在于，所述非球面反射镜为凹面，且非球面系数的阶数不超过十二阶，其面型由下式确定；

其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为曲面点坐标在垂直于光轴平面的投影与光轴的距离，k为圆锥系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈表示偶次项对应的系数。

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