CN111552061B - 一种投影镜头光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种投影镜头光学系统，该光学系统包括自物侧至像侧依次设置且同光轴的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜以及成像靶面。本发明采用多块透镜组合，且结合第一透镜至第八透镜的光焦度和形状构造的设计以及各透镜的位置设计，使得该投影镜头光学系统在Φ30的大靶面范围内，其轴上、轴外像差校正充分，成像质量随视场变化不明显，一致性好，光学特性优良。

Description

一种投影镜头光学系统
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，具体涉及一种投影镜头光学系统。
背景技术
璀璨的星空是广大天文爱好者的梦想，为了达到良好的观感，可以用投影仪将星空投影到天花板或者墙上，这就要求投影仪投影距离远，投影面积大，相对照度高。但大部分投影仪器为了达到大靶面、低畸变和高相对照度的效果，经常使用非球面镜片。非球面镜片生产需要高昂的磨具费用，势必导致成本的提高，而且，如果是塑胶非球面，温度稳定性太差，还会因为温度的升高而影响图像质量。
综上所述，设计一种结构精简、温度适用范围广、成本适中且光学性能好的投影镜头光学系统具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种投影镜头光学系统，具体技术方案如下：
一种投影镜头光学系统，该投影镜头光学系统包括自物侧至像侧依次设置且同光轴的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑(STO)、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜以及成像靶面；
所述第一透镜具有负的光焦度，其朝向物侧的一面为凸面，且其朝向像侧的一面为凹面；所述第二透镜具有负的光焦度，其呈双凹形状；所述第三透镜具有正的光焦度，其呈双凸形状；所述第四透镜具有正的光焦度，其呈弯月形状；所述第五透镜具有正的光焦度，其呈双凸形状；所述第六透镜具有负的光焦度，其呈双凹形状；所述第七透镜具有正的光焦度，其呈弯月形状，且朝向像侧的一面为凸面，朝向物侧的一面为凹面；所述第八透镜具有正的光焦度，其呈弯月形状，且朝向像侧的一面为凸面，朝向物侧的一面为凹面；
该投影镜头光学系统满足表达式1)：
0.05＜A01/TL＜0.1
0.07＜A02/TL＜0.1
0.05＜A03＜0.1
8＜A1S+AS2＜10
5＜A1S/AS2＜8
0.1＜A04＜0.5
4＜A05＜7
0.05＜A06＜0.1 1)；
其中：A01为第一透镜与第二透镜之间的空气间隔距离；A02为第二透镜与第三透镜之间的空气间隔距离；A03为第三透镜与第四透镜之间的空气间隔距离；A1S为第四透镜与光阑(STO)之间的空气间隔距离；AS2为光阑(STO)与第五透镜之间的空气间隔距离；A04为第五透镜与第六透镜之间的空气间隔距离；A05为第六透镜与第七透镜之间的空气间隔距离；A06为第七透镜与第八透镜之间的空气间隔距离；TL为该投影镜头光学系统的总体长度，即沿光轴方向第一透镜与成像靶面之间的距离。
以上技术方案中优选的，该投影镜头光学系统满足表达式2)：
-2＜f1/f＜0
-3＜f2/f＜-1
1＜f3/f＜3
1＜f4/f＜3
0.1＜f5/f＜1
-0.1＜f6/f＜-1
1＜f7/f＜3
1＜f8/f＜3
0.5＜TL/f＜1 2)；
其中：f为该投影镜头光学系统的焦距，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距，f6为第六透镜的焦距，f7为第七透镜的焦距，f8为第八透镜的焦距，TL为该投影镜头光学系统的总体长度。
以上技术方案中优选的，该投影镜头光学系统满足表达式3)：
1.5＜Nd1＜1.6
1.7＜Nd2＜1.8
1.7＜Nd3＜1.8
1.7＜Nd4＜1.8
1.7＜Nd3＜1.8
1.8＜Nd6＜2.0
1.7＜Nd7＜1.8
1.6＜Nd8＜1.7 3)；
其中，Nd1为第一透镜的折射率；Nd2为第二透镜的折射率；Nd3为第三透镜的折射率；Nd4为第四透镜的折射率；Nd5为第五透镜的折射率；Nd6为第六透镜的折射率；Nd7为第七透镜的折射率；Nd8为第八透镜的折射率。
以上技术方案中优选的，该投影镜头光学系统满足表达式4)：
50＜Vd1＜70
20＜Vd2＜30
30＜Vd3＜50
40＜Vd4＜60
50＜Vd5＜60
20＜Vd6＜30
40＜Vd7＜50
50＜Vd8＜60 4)；
其中：Vd1为第一透镜的色散系数；Vd2为第二透镜的色散系数；Vd3为第三透镜的色散系数；Vd4为第四透镜的色散系数；Vd5为第五透镜的色散系数；Vd6为第六透镜的色散系数；Vd7为第七透镜的色散系数；Vd8为第八透镜的色散系数。
以上技术方案中优选的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及第八透镜均为玻璃球面透镜。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明的投影镜头光学系统包括自物侧至像侧依次设置且同光轴的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜以及成像靶面，第一透镜至第八透镜的光焦度和形状构造的设计，结合各透镜的位置设计，使得该投影镜头光学系统在Φ30的大靶面范围内，其轴上、轴外像差校正充分，成像质量随视场变化不明显，一致性好，光学特性优良。
(2)本发明中各透镜选择合适的焦距，利于提高成像质量。
(3)本发明中各透镜选择合理的折射率，尤其是第六透镜采用高折射率，有利于减小球差、彗差；第一透镜具有负的光焦度，搭配低折射率，可以尽可能的抵消正透镜带来的场曲，达到像面平坦的目的。
(4)本发明中各透镜的色散系数选择合理，各透镜色散系数相互搭配，有利于消除系统色差，提供高分辨率彩色图像。尤其是第一透镜和第七透镜、第八透镜处于镜头两端，入射光线高度偏大，因此使用低色散的材料保证色差不至于过大。
(5)本发明中各透镜都采用玻璃球面透镜，结构形式简单，大大降低了加工难度，易于保存，降低了镜头生产成本。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是实施例中投影镜头光学系统的结构示意图；
图2是图1中投影镜头光学系统的MTF曲线图(不同线条代表不一样的视场)；
图3是图1中投影镜头光学系统的弥散斑图；
图4是图1中投影镜头光学系统的的场区和畸变曲线图(不同线条代表不一样的波长)；
图5是图1中投影镜头光学系统的CRA相对于视场的变化曲线图；
图6是图1中投影镜头光学系统的相对照度曲线图；
图7是图1中投影镜头光学系统的在物距为2.8m时的MTF曲线图(不同线条代表不一样的视场)；
图8是图1中投影镜头光学系统的在物距为1.6m时的MTF曲线图(不同线条代表不一样的视场)；
图9是图1中投影镜头光学系统的在物距为1m时的MTF曲线图(不同线条代表不一样的视场)；
其中，1、墙面，2、第一透镜，3、第二透镜，4、第三透镜，5、第四透镜，6、第五透镜，7、第六透镜，8、第七透镜，9、第八透镜，10、保护面板，11、成像靶面，STO、光阑。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例：
一种投影镜头光学系统，视场角为70°，属于标准广角镜头。通过合理的光焦度分配和材料搭配，各种像差相互补偿校正，实现TV畸变＜2％的情况下，仍然具有较高的解析力和相对照度，从而提高观感质量，具体方案如下：
如图1所示，该投影镜头光学系统包括自物侧至像侧依次设置且处于同一光轴的：墙面1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第五透镜6、第六透镜7、第七透镜8、第八透镜9、保护面板10以及成像靶面11。优选保护面板10为1mm厚的玻璃材质的保护镜片；所述成像靶面11为幻灯片；在第四透镜5和第五透镜6之间设有光阑STO。
针对各透镜，详情如下：
1、各透镜的光焦度及形状构造：
所述第一透镜2具有负的光焦度，其朝向物侧的一面为凸面，且其朝向像侧的一面为凹面；所述第二透镜3具有负的光焦度，其呈双凹形状，即其朝向物侧的一面以及朝向像侧的一面均为凹面；所述第三透镜4具有正的光焦度，其呈双凸形状，即其朝向物侧的一面以及朝向像侧的一面均为凸面；所述第四透镜5具有正的光焦度，其呈弯月形状，其朝向物侧的一面为凸面，且其朝向像侧的一面为凹面；所述第五透镜6具有正的光焦度，其呈双凸形状，即其朝向物侧的一面以及朝向像侧的一面均为凸面；所述第六透镜7具有负的光焦度，其呈双凹形状，即其朝向物侧的一面以及朝向像侧的一面均为凹面；所述第七透镜8具有正的光焦度，其呈弯月形状，且朝向像侧的一面为凸面，朝向物侧的一面为凹面；所述第八透镜9具有正的光焦度，其呈弯月形状，且朝向像侧的一面为凸面，朝向物侧的一面为凹面。
各透镜的位置关系：
该投影镜头光学系统满足表达式1)：
0.05＜A01/TL＜0.1
0.07＜A02/TL＜0.1
0.05＜A03＜0.1
8＜A1s+AS2＜10
5＜A1S/AS2＜8
0.1＜A04＜0.5
4＜A05＜7
0.05＜A06＜0.1 1)：
其中：A01为第一透镜2与第二透镜3之间的空气间隔距离；A02为第二透镜3与第三透镜4之间的空气间隔距离；A03为第三透镜4与第四透镜5之间的空气间隔距离；A1s为第四透镜5与光阑STO之间的空气间隔距离；As2为光阑STO与第五透镜6之间的空气间隔距离；A04为第五透镜6与第六透镜7之间的空气间隔距离；A05为第六透镜7与第七透镜8之间的空气间隔距离；A06为第七透镜8与第八透镜9之间的空气间隔距离；TL为该投影镜头光学系统的总体长度，即沿光轴方向第一透镜2与成像靶面11之间的距离。
所述第一透镜2具有负的光焦度，呈弯月形状，朝向物侧的一面为凸面，可以把较大的视场的光线收入系统中，缩小后接镜片的视场角；第二透镜3具有负的光焦度，进一步减小光线视场角；第三透镜4和第四透镜5具有正的光焦度，可以有效缩小光束口径，同时与后组拉开一定的空气间隔，有利于光线达到较大的像面高度；第五透镜6和第六透镜7处于靠近光阑的位置，中间留有较小的空气间隔，用于产生较大的像散与前组进行补偿；第七透镜8和第八透镜9都具有正的光焦度，保证光线以较小的角度打入像面，有利于边缘与中心相对照度的提升；保护面板10是一块保护玻璃；最终光线被幻灯片接收。
2、各透镜的焦距：
该投影镜头光学系统满足表达式2)：
-2＜f1/f＜0
-3＜f2/f＜-1
1＜f3/f＜3
1＜f4/f＜3
0.1＜f5/f＜1
-0.1＜f6/f＜-1
1＜f7/f＜3
1＜f8/f＜3
0.5＜TL/f＜1 2)；
其中：f为该投影镜头光学系统的焦距，f1为第一透镜2的焦距，f2为第二透镜3的焦距，f3为第三透镜4的焦距，f4为第四透镜5的焦距，f5为第五透镜6的焦距，f6为第六透镜7的焦距，f7为第七透镜8的焦距，f8为第八透镜9的焦距，TL为该投影镜头光学系统的总体长度。
3、各透镜的折射率：
该投影镜头光学系统满足表达式3)：
1.5＜Nd1＜1.6
1.7＜Nd2＜1.8
1.7＜Nd3＜1.8
1.7＜Nd4＜1.8
1.7＜Nd5＜1.8
1.8＜Nd6＜2.0
1.7＜Nd7＜1.8
1.6＜Nd8＜1.7 3)；
其中，Nd1为第一透镜2的折射率；Nd2为第二透镜3的折射率；Nd3为第三透镜4的折射率；Nd4为第四透镜5的折射率；Nd5为第五透镜6的折射率；Nd6为第六透镜7的折射率；Nd7为第七透镜8的折射率；Nd8为第八透镜9的折射率。
4、各透镜的色散系数：
该投影镜头光学系统满足表达式4)：
50＜Vd1＜70
20＜Vd2＜30
30＜Vd3＜50
40＜Vd4＜60
50＜Vd5＜60
20＜Vd6＜30
40＜Vd7＜50
50＜Vd8＜60 4)；
其中：Vd1为第一透镜2的色散系数；Vd2为第二透镜3的色散系数；Vd3为第三透镜4的色散系数；Vd4为第四透镜5的色散系数；Vd5为第五透镜6的色散系数；Vd6为第六透镜7的色散系数；Vd7为第七透镜8的色散系数；Vd8为第八透镜9的色散系数。
5、各透镜的材质：
所述第一透镜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以及第八透镜9均为玻璃球面透镜。
本实施例中：镜头的焦距f＝21.96mm，F数4.5，实际成像靶面为φ30，该投影镜头光学系统具体参数如下表1所示：
表1本实施例投影镜头光学系统的参数统计表
注：由像侧至物侧方向，表1中：S1-S2代表第一透镜相应两个面，S3-S4代表第二透镜相应两个面，以此类推。
上述表1中投影镜头光学系统在不同物距下的后焦长度如表2所示：
表2投影镜头光学系统在不同物距下的后焦长度
物距(m) 2.8 2.0 1.6 1.0
后焦长度(mm) 14.7293 14.7980 14.8632 15.0505
对上述投影镜头光学系统进行测试，详情如下：
1、图2到图5为本实施例方案中星空投影镜头光学系统的在物距为2.0m时的光学性能图表，其中：
图2为系统MTF曲线，用来评价光学系统分辨能力，从图2中曲线可以看出，0.7视场以内各视场MTF曲线比较集中，没有出现大的离散，说明该系统各项像差已经得到很好的校正，各视场一致性比较好。
图3为弥散斑图，从图3中可以看出各视场光线会聚非常集中，说明通过该系统能得到很好的成像效果。
图4为系统的场曲和畸变曲线，从图4中可以看到畸变控制在4％左右，相对较小。
图5为CRA相对于视场的变化曲线，可以看到全视场的CRA＜11°。
图6为相对照度曲线，可以看到边缘和中心的相对照度＞63.7％。
图7为该光学系统在物距为2.8m时的MTF曲线；图8为该光学系统在物距为1.6m时的MTF曲线；图9为该光学系统在物距为1m时的MTF曲线。MTF(Modulation TransferFunction，调制传递函数)曲线是评价镜头解像能力的一个常用方法。横轴代表空间频率值lp/mm，纵轴代表当前频率下黑白线条的对比度。从图7-9可以看出：在不同的三种物距下，中心视场＞0.3@200lp/mm，0.7视场＞0.2@200lp/mm，说明该镜头解像能力较好。
应用本发明的技术方案，效果是：
1、本发明通过第一透镜至第八透镜合理分配光焦度，合理弯曲镜片，合理搭配不同折射率和阿贝数的光学材料，实现了低畸变、高相对照度的高质量成像。
2、本发明的整个系统使用球面玻璃镜片，温度稳定性好且适用温度范围广，加工性好，可用于批量生产。
3、本发明的光学系统在Φ30的大靶面范围内，其轴上、轴外像差校正充分，成像质量随视场变化不明显，一致性好，光学特性优良。
4、本发明的光学系统全视场CRA＜11°。
5、本发明的光学系统在较宽的物距范围内，通过调节后焦，可以达到较好的成像效果。
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 (4)

1.一种投影镜头光学系统，其特征在于，该投影镜头光学系统包括透镜、光阑（STO）和成像靶面（11），所述透镜的片数为八片，其排列顺序为自物侧至像侧依次设置且同光轴的第一透镜（2）、第二透镜（3）、第三透镜（4）、第四透镜（5）、光阑（STO）、第五透镜（6）、第六透镜（7）、第七透镜（8）、第八透镜（9）以及成像靶面（11）；
所述第一透镜（2）具有负的光焦度，其朝向物侧的一面为凸面，且其朝向像侧的一面为凹面；
所述第二透镜（3）具有负的光焦度，其呈双凹形状；
所述第三透镜（4）具有正的光焦度，其呈双凸形状；
所述第四透镜（5）具有正的光焦度，其呈弯月形状；
所述第五透镜（6）具有正的光焦度，其呈双凸形状；
所述第六透镜（7）具有负的光焦度，其呈双凹形状；
所述第七透镜（8）具有正的光焦度，其呈弯月形状，且朝向像侧的一面为凸面，朝向物侧的一面为凹面；
所述第八透镜（9）具有正的光焦度，其呈弯月形状，且朝向像侧的一面为凸面，朝向物侧的一面为凹面；
该投影镜头光学系统满足表达式1）：
1）；
其中：A01为第一透镜（2）与第二透镜（3）之间的空气间隔距离；A02为第二透镜（3）与第三透镜（4）之间的空气间隔距离；A03为第三透镜（4）与第四透镜（5）之间的空气间隔距离；A1S为第四透镜（5）与光阑（STO）之间的空气间隔距离；AS2为光阑（STO）与第五透镜（6）之间的空气间隔距离；A04为第五透镜（6）与第六透镜（7）之间的空气间隔距离；A05为第六透镜（7）与第七透镜（8）之间的空气间隔距离；A06为第七透镜（8）与第八透镜（9）之间的空气间隔距离；TL为该投影镜头光学系统的总体长度，即沿光轴方向第一透镜（2）与成像靶面（11）之间的距离；
该投影镜头光学系统满足表达式2）：
2）；
其中：f为该投影镜头光学系统的焦距，f1为第一透镜（2）的焦距，f2为第二透镜（3）的焦距，f3为第三透镜（4）的焦距，f4为第四透镜（5）的焦距，f5为第五透镜（6）的焦距，f6为第六透镜（7）的焦距，f7为第七透镜（8）的焦距，f8为第八透镜（9）的焦距。
2.根据权利要求1所述的投影镜头光学系统，其特征在于，该投影镜头光学系统满足表达式3）：
3）；
其中，Nd1为第一透镜（2）的折射率；Nd2为第二透镜（3）的折射率；Nd3为第三透镜（4）的折射率；Nd4为第四透镜（5）的折射率；Nd5为第五透镜（6）的折射率；Nd6为第六透镜（7）的折射率；Nd7为第七透镜（8）的折射率；Nd8为第八透镜（9）的折射率。
3.根据权利要求1所述的投影镜头光学系统，其特征在于，该投影镜头光学系统满足表达式4）：
4）；
其中：Vd1为第一透镜（2）的色散系数；Vd2为第二透镜（3）的色散系数；Vd3为第三透镜（4）的色散系数；Vd4为第四透镜（5）的色散系数；Vd5为第五透镜（6）的色散系数；Vd6为第六透镜（7）的色散系数；Vd7为第七透镜（8）的色散系数；Vd8为第八透镜（9）的色散系数。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的投影镜头光学系统，其特征在于，所述第一透镜（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）以及第八透镜（9）均为玻璃球面透镜。
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