CN112363299A - 超短焦投影光学镜头和超短焦投影光学系统 - Google Patents

超短焦投影光学镜头和超短焦投影光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超短焦投影光学镜头和超短焦投影光学系统，其中所述超短焦投影光学镜头包括壳体和安装于所述壳体内腔且在折射投射方向上依次固定布置的折射透镜组和一个非球面反射镜，所述折射透镜组和所述非球面反射镜之间对应在所述壳体内形成一光轴，其中，所述折射透镜组由物侧到像侧依次包括第一球面透镜、第二非球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜、第五球面透镜、第六球面透镜、光阑、第七球面透镜、第八非球面透镜、第九球面透镜、第十非球面透镜、第十一非球面透镜、第十二球面透镜。本发明提供的技术方案中，通过设置至少十二块折射透镜和一个非球面反射镜，使得在加工和装调精度方面对投影镜头的要求相对较低。

Description

超短焦投影光学镜头和超短焦投影光学系统
技术领域
本发明涉及投影技术里的光学系统领域，具体涉及一种超短焦投影光学镜头和超短焦投影光学系统。
背景技术
随着信息化时代的飞速发展，大屏幕投影显示作为信息输出的有效手段，在人们生活和工作中发挥着越来越重要的作用。投影显示技术的主要原理是将显示器件产生的图像源经过光学系统放大后，投影到屏幕上产生清晰的图像。超短焦投影镜头可以缩短投影距离，实现大屏幕投影，给用户一种沉浸式的观感体验。
为了实现了短焦距大屏幕投影，要求超短焦投影光学系统的视场角越来越大，与视场角有关的畸变、像散、场曲等像差则越来越难以矫正；另一方面，为了降低成本，要求超短焦投影镜头的体积更小。现有折射型投影镜头一般由球面或非球面透镜构成，为了实现大视场角，需要增加系统的复杂度以校正光学像差，折射型投影光学系统镜片数量多，结构复杂，像差较难校正，且系统长度不容易压缩，制造性较低。现有的反射型投影镜头一般由四片或五片非球面反射镜组成，然后通过反射镜反复折转光路实现压缩投影距离的目的，但是这种结构型式的投影镜头对于加工和装调精度要求较高，这无疑给光学设计增加更多的难度，因此超短焦投影镜头的光学设计仍然是亟待解决的难题。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种超短焦投影光学镜头和超短焦投影光学系统，旨在解决现有超短焦投影光学镜头结构复杂、加工和装调精度要求高的问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种超短焦投影光学镜头，所述超短焦投影光学镜头包括壳体和安装于所述壳体内腔且在折射投射方向上依次固定布置的折射透镜组和一个非球面反射镜，所述折射透镜组和所述非球面反射镜之间对应在所述壳体内形成一光轴，其中，所述折射透镜组由物侧到像侧依次包括第一球面透镜、第二非球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜、第五球面透镜、第六球面透镜、光阑、第七球面透镜、第八非球面透镜、第九球面透镜、第十非球面透镜、第十一非球面透镜、第十二球面透镜。
可选地，所述第三球面透镜和所述第四球面透镜胶合连接，所述第七球面透镜和所述第八非球面透镜胶合连接。
可选地，所述超短焦投影镜头的投射比为0.1～0.4；和/或，
所述超短焦投影镜头的有效焦距为EFL＝-1.0mm～-1.8mm。
可选地，所述超短焦投影镜头的投射比为0.2～0.3；和/或，
所述超短焦投影镜头的有效焦距为EFL＝-1.3mm～-1.5mm。
可选地，所述第一球面透镜光焦度为正；和/或，
所述第二非球面透镜光焦度为负；和/或，
所述第三球面透镜和所述第四球面透镜组成的胶合透镜光焦度为正；和/或，
所述第五球面透镜光焦度为负；和/或，
所述第六球面透镜光焦度为正；和/或，
所述第七球面透镜和所述第八非球面透镜组成的胶合透镜的光焦度为负；和/或，
所述第九球面透镜光焦度为正；和/或，
所述第十非球面透镜光焦度为负；和/或，
所述第十一非球面透镜光焦度为负；和/或，
所述第十二球面透镜的光焦度为负。
可选地，所述非球面反射镜凹面朝向所述折射透镜组设置。
本发明还提供一种超短焦投影光学系统，包括：
超短焦投影光学镜头，所述超短焦投影光学镜头包括壳体和安装于所述壳体内腔且在折射投射方向上依次固定布置的折射透镜组和一个非球面反射镜，所述折射透镜组和所述非球面反射镜之间对应在所述壳体内形成一光轴，其中，所述折射透镜组由物侧到像侧依次包括第一球面透镜、第二非球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜、第五球面透镜、第六球面透镜、光阑、第七球面透镜、第八非球面透镜、第九球面透镜、第十非球面透镜、第十一非球面透镜、第十二球面透镜；以及，
空间光调制器，位于所述超短焦投影光学镜头的物侧；
其中，所述超短焦投影光学镜头接收来自空间光调制器产生的图像源。
可选地，所述空间光调制器包括数字微镜器件，所述数字微镜器件与所述超短焦投影光学镜头光轴的偏移量为C，且1.3<C<1.5。
可选地，在沿所述光轴的方向上，所述折射透镜组的像侧面到所述非球面反射镜凹点的距离为L1，所述数字微镜器件到所述非球面反射镜凹点的距离为L2，且0.3<L1/L2<0.5。
可选地，所述超短焦投影光学系统沿所述光轴由物侧到像侧依次还设有保护玻璃和棱镜，其中所述保护玻璃与所述棱镜位于所述数字微镜器件与所述折射透镜组之间，所述保护玻璃和所述棱镜与所述光轴同轴。
本发明提供的技术方案中，由于采用所述折射透镜组1校正主要像差，采用所述非球面反射镜2增加光程，有利于缩短投影距离，且反射镜具有较低的透射比，可实现短距离投影大图像，且成像质量高，并降低折射透镜组的复杂度，减小折射透镜组自身引入的像差，且反射镜本身不引入色差；通过光阑的设置，减少了光斑、并提高了图像对比度。通过设置所述折射透镜组1和所述非球面反射镜2的组合设计，有利于实现超短焦投影，能够通过反射镜折转光路，缩短投影距离，简化折射镜组的复杂度、降低了加工精度和装调精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的超短焦投影光学镜头的一实施例的构架示意图；
图2为本发明提供的超短焦投影光学系统的一实施例的构架示意图；
图3为图2中的超短焦投影镜头中的光路的示意图；
图4为图2中的超短焦投影光学镜头畸变示意图的示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 超短焦投影光学镜头 101 第一球面透镜
200 超短焦投影光学系统 102 第二球面透镜
1000 屏幕 103 第三球面透镜
1 折射透镜组 104 第四球面透镜
2 非球面反射镜 105 第五球面透镜
3 光阑 106 第六球面透镜
4 数字微镜器件 107 第七球面透镜
5 保护镜 108 第八球面透镜
6 棱镜 109 第九球面透镜
11 第一透镜组 110 第十球面透镜
12 第二透镜组 111 第十一球面透镜
13 第三透镜组 112 第十二球面透镜
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
超短焦投影系统的光路结构主要包括折射型、反射型。折射型投影镜头一般由球面或非球面透镜构成，为了实现大视场角，需要增加系统的复杂度以校正光学像差，折射型投影光学系统镜片数量多，结构复杂，像差较难校正，且系统长度不容易压缩，制造性较低。因现有的反射型投影镜头一般由四片或五片非球面反射镜组成，然后通过反射镜反复折转光路实现压缩投影距离的目的，但是这种结构型式的投影镜头对于加工和装调精度要求较高。
本发明提出一种超短焦投影光学镜头100，图1至图4为本发明提供的超短焦投影光学镜头100的一实施例。
请参阅图1，所述超短焦投影光学镜头100包括壳体和安装于所述壳体内腔且在折射投射方向上依次固定布置的折射透镜组1和一个非球面反射镜2，所述折射透镜组1和所述非球面反射镜2之间对应在所述壳体内形成一光轴，其中，所述折射透镜组1由物侧到像侧依次包括第一球面透镜101、第二非球面透镜102、第三球面透镜103、第四球面透镜104、第五球面透镜105、第六球面透镜106、光阑3、第七球面透镜107、第八非球面透镜108、第九球面透镜109、第十非球面透镜110、第十一非球面透镜111、第十二球面透镜112。
采用折射透镜组校正主要像差，采用所述非球面反射镜2，有利于缩短投影距离，并降低所述折射透镜组1的复杂度，减小所述折射透镜组1自身引入的像差，且反射镜本身不引入色差；所述折射透镜组1和所述非球面反射镜2的组合设计，有利于实现超短焦投影，且能够对大视场引入的像差进行有效校正，提高投影图像的成像质量。
本发明提供的技术方案中，由于采用所述折射透镜组1校正主要像差，采用所述非球面反射镜2增加光程，有利于缩短投影距离，且所述非球面反射镜2具有较低的透射比，可实现短距离投影大图像且成像质量高，并降低折射透镜组的复杂度，减小所述折射透镜组1自身引入的像差，承担部分视场角扩展任务和校正畸变的作用；通过设置所述光阑3减少了光斑、并提高了图像对比度。通过所述折射透镜组1和所述非球面反射镜2的组合设计，有利于实现超短焦投影，能够通过反射镜折转光路，缩短投影距离，简化折射镜组的复杂度，也使得所述超短焦投影光学镜头100对于加工精度和装调精度的要求都有所降低，并且具有低畸变，小体积，能够实现高像质投影画面的优点。
需要说明的是，在光学设计过程中，会将镜组通过其实现的功能和完成的任务进行分组，在本实施例中，所述超短焦投影光学镜头100包括三个透镜组：第一透镜组11、第二透镜组12和第三透镜组13。第一透镜组11包括第一球面透镜101和第二球面透镜102；第二透镜组12包括第三球面透镜103、第四球面透镜104、第五球面透镜105、第六球面透镜106、光阑3、第七球面透镜107和第八球面透镜108；第三透镜组13包括第九球面透镜109、第十球面透镜110、第十一球面透镜111和第十二球面透镜112。其中是如何进行划分以及每个透镜组的任务在此不一一说明。
具体地，为了最大限度地减少色差或消除色差，在本实施例中，所述第三球面透镜103和所述第四球面透镜104胶合连接，所述第七球面透镜107和所述第八非球面透镜108胶合连接，采用透镜胶合的方式，将两片材料不同的镜片胶合在一起，校正了玻璃的色散，在复色(白光)成像的性能比单透镜性能提高了许多。
需要说明的是，在本申请的实施例中，所述超短焦投影镜头100的有效焦距为EFL＝-1.0mm～-1.8mm，或者，所述超短焦投影镜头100的投射比为0.1～0.4。
当然，所述超短焦投影镜头100的有效焦距为EFL＝-1.0mm～-1.8mm，并且投射比为0.1～0.4的情况下，可以更好的实现超短焦投影。
进一步，在本申请的实施例中，所述超短焦投影镜头100的有效焦距为EFL＝-1.3mm～-1.5mm；或者，所述超短焦投影镜头100的投射比为0.2～0.3。
当然，所述超短焦投影镜头100的有效焦距为EFL＝-1.3mm～-1.5mm，并且投射比为0.2～0.3的情况下，所达到的超短焦投影效果更为可观。
需要说明的是，在本申请的实施例中，所述第一球面透镜101光焦度为正；或者，所述第二非球面透镜102光焦度为负，或者，所述第三球面透镜103和所述第四球面透镜104组成的胶合透镜光焦度为正，或者，所述第五球面透镜105光焦度为负，或者，所述第六球面透镜106光焦度为正，或者，所述第七球面透镜107和所述第八非球面透镜108组成的胶合透镜的光焦度为负，或者，所述第九球面透镜109光焦度为正，或者，所述第十非球面透镜110光焦度为负，或者，所述第十一非球面透镜111光焦度为负，或者，所述第十二球面透镜112的光焦度为负，所述折射透镜组1通过调整各自的光焦度最终使得所述超短焦投影镜头100能够实现所述透射比。
当然，所述第一球面透镜101光焦度为正，且所述第二非球面透镜102光焦度为负，且所述第三球面透镜103和所述第四球面透镜104组成的胶合透镜光焦度为正，且所述第五球面透镜105光焦度为负，且所述第六球面透镜106光焦度为正，且所述第七球面透镜107和所述第八非球面透镜108组成的胶合透镜的光焦度为负，且所述第九球面透镜109光焦度为正，且所述第十非球面透镜110光焦度为负，且所述第十一非球面透镜111光焦度为负，且所述第十二球面透镜112的光焦度为负，如此设置在实现所述投射比的情况下，使得所述光焦度分配更为合理。在此需要说明的是：光焦度等于像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。
进一步，为了缩短投影距离，将所述折射透镜组1折射的图像投射在屏幕1000上，请参阅图3，在本申请的实施例中，所述非球面反射镜2凹面朝向所述折射透镜组1设置，所述非球面反射镜2反射来自所述折射透镜组1的图像，使得所述图像投射在所述非球面反射镜2凹面朝向的所述屏幕1000上。
本发明还提供一种超短焦投影光学系统200，请参阅图2至图4，在本实施例中，所述超短焦投影光学系统200包括上述的超短焦投影光学镜头100和空间光调制器，所述空间光调制器位于所述超短焦投影光学镜头100的物侧，所述超短焦投影光学镜头100接收来自空间光调制器产生的图像源，所述超短焦投影光学系统200包括上述的超短焦投影光学镜头100的全部技术特征，因此，也具有上述全部技术特征带来的技术效果，此处不再一一赘述：
进一步，所述空间光调制器包括数字微镜器件4，即DMD芯片(DigitalMicromirror Device，通过控制镜片的开启和偏转达到显示图像的目的)。所述数字微镜器件4与所述超短焦投影光学镜头100光轴的偏移量为C，且1.3<C<1.5。
进一步，在沿所述光轴的方向上，所述折射透镜组1的像侧面到所述非球面反射镜2凹点的距离为L1，所述数字微镜器件4到所述非球面反射镜2凹点的距离为L2，且0.3<L1/L2<0.5。
进一步，因为位于所述DMD芯片内核的不是刻蚀电路而是大量的微反射镜，这些微反射镜脆弱的同时又得面向光线，因此所述超短焦投影光学系统200沿所述光轴由物侧到像侧依次还设有保护玻璃5和棱镜6，其中所述保护玻璃5与所述棱镜6位于所述数字微镜器件4与所述折射透镜组1之间，所述保护玻璃5和所述棱镜6与所述光轴同轴，因所述保护玻璃5具有高透光率、高硬度，使得所述微反射镜得到很好的保护。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超短焦投影光学镜头，其特征在于，包括壳体和安装于所述壳体内腔且在折射投射方向上依次固定布置的折射透镜组和一个非球面反射镜，所述折射透镜组和所述非球面反射镜之间对应在所述壳体内形成一光轴，其中，所述折射透镜组由物侧到像侧依次包括第一球面透镜、第二非球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜、第五球面透镜、第六球面透镜、光阑、第七球面透镜、第八非球面透镜、第九球面透镜、第十非球面透镜、第十一非球面透镜、第十二球面透镜。
2.如权利要求1所述的超短焦投影光学镜头，其特征在于，所述第三球面透镜和所述第四球面透镜胶合连接，所述第七球面透镜和所述第八非球面透镜胶合连接。
3.如权利要求1所述的超短焦投影光学镜头，其特征在于，所述超短焦投影镜头的投射比为0.1～0.4；和/或，
所述超短焦投影镜头的有效焦距为EFL＝-1.0mm～-1.8mm。
4.如权利要求3所述的超短焦投影光学镜头，其特征在于，所述超短焦投影镜头的投射比为0.2～0.3；和/或，
所述超短焦投影镜头的有效焦距为EFL＝-1.3mm～-1.5mm。
5.如权利要求2所述的超短焦投影光学镜头，其特征在于，所述第一球面透镜光焦度为正；和/或，
所述第二非球面透镜光焦度为负；和/或，
所述第三球面透镜和所述第四球面透镜组成的胶合透镜光焦度为正；和/或，
所述第五球面透镜光焦度为负；和/或，
所述第六球面透镜光焦度为正；和/或，
所述第七球面透镜和所述第八非球面透镜组成的胶合透镜的光焦度为负；和/或，
所述第九球面透镜光焦度为正；和/或，
所述第十非球面透镜光焦度为负；和/或，
所述第十一非球面透镜光焦度为负；和/或，
所述第十二球面透镜的光焦度为负。
6.如权利要求1所述的超短焦投影光学镜头，其特征在于，所述非球面反射镜凹面朝向所述折射透镜组设置。
7.一种超短焦投影光学系统，其特征在于，包括：
超短焦投影光学镜头，为如权利要求1至6中任意一项所述的超短焦投影光学镜头；以及，
空间光调制器，位于所述超短焦投影光学镜头的物侧；
其中，所述超短焦投影光学镜头接收来自空间光调制器产生的图像源。
8.如权利要求7所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述空间光调制器包括数字微镜器件，所述数字微镜器件与所述超短焦投影光学镜头光轴的偏移量为C，且1.3<C<1.5。
9.如权利要求8所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，在沿所述光轴的方向上，所述折射透镜组的像侧面到所述非球面反射镜凹点的距离为L1，所述数字微镜器件到所述非球面反射镜凹点的距离为L2，且0.3<L1/L2<0.5。
10.如权利要求8所述的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述超短焦投影光学系统沿所述光轴由物侧到像侧依次还设有保护玻璃和棱镜，其中所述保护玻璃与所述棱镜位于所述数字微镜器件与所述折射透镜组之间，所述保护玻璃和所述棱镜与所述光轴同轴。
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CN113917670A (zh) * 2021-09-23 2022-01-11 江苏宇迪光学股份有限公司 一种高分辨率超短焦投影镜头
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