CN112684597B - 一种激光透镜镜头和激光投影仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光透镜镜头和激光投影仪。激光透镜镜头包括多个光学元件；所述多个光学元件包括沿激光传播方向依次设置的非球面负透镜、第一双凸正透镜、平凸正透镜、第一双凹负透镜、第二双凹负透镜、第二双凸正透镜、第三双凸正透镜、第四双凸正透镜和等效转像棱镜；其中，所述平凸正透镜与所述第一双凹负透镜胶合在一起；所述第二双凹负透镜与所述第二双凸正透镜胶合在一起。本申请的激光透镜镜头利用光学元件材料的折射率效应补偿光学元件(例如玻璃)与机械件(例如镜筒)的热胀冷缩，实现了无热化效果，保证了系统解像能力以及投影图像的清晰度。

Description

一种激光透镜镜头和激光投影仪

技术领域

本申请涉及一种激光透镜镜头和激光投影仪，属于投影仪技术领域。

背景技术

在激光投影电视中，其投影显示部分是由激光光源、光处理部件(即光机部分)、镜头三部分组成，其中激光光源用于形成三基色或者四基色为光机部分提供照明，三基色或四基色依次进入光机部分被DMD(Digital Micro-mirror Device，数字微镜元件)芯片调制，并输出给激光投影镜头部分，再经激光投影镜头光学系统投射到投影屏幕上显示图像。

但是，目前用于投影的激光光源的电光转换效率都不足30％，其余的能量都转换为热量，特别是对高功率的激光投影仪其热量更大了。热量会传导至光机和镜头部分，使得整个系统温度升高，温度变化会使得镜头中的光学镜片的外形和折射率发生变化，使得系统解像能力变差，投影图像主观上变模糊，影响画面显示效果。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种激光透镜镜头，该激光透镜镜头利用光学元件材料的折射率效应补偿光学元件(例如玻璃)与机械件(例如镜筒)的热胀冷缩，实现了无热化效果，保证了系统解像能力以及投影图像的清晰度。

一种激光透镜镜头，所述激光透镜镜头包括多个光学元件；

所述多个光学元件包括沿激光传播方向依次设置的非球面负透镜、第一双凸正透镜、平凸正透镜、第一双凹负透镜、第二双凹负透镜、第二双凸正透镜、第三双凸正透镜、第四双凸正透镜和等效转像棱镜；

其中，所述平凸正透镜与所述第一双凹负透镜胶合在一起；

所述第二双凹负透镜与所述第二双凸正透镜胶合在一起。

可选地，所述非球面负透镜满足以下条件：

|1/(n_Af_A)|≥0.03mm^-1

其中n_A表示非球面负透镜的折射率，f_A表示非球面负透镜的焦距。

可选地，所述第一双凸正透镜满足以下条件：

20mm≥f_B≥15mm

40≥v_B≥35

其中，f_B表示第一双凸正透镜的焦距，v_B表示第一双凸正透镜的色散系数。

可选地，所述平凸正透镜和所述第一双凹负透镜满足以下条件：

|f_Cf_D/(f_C+f_D)|≤45mm

(v_C+v_D)/2≥40

其中，f_C表示平凸正透镜的焦距，v_C表示平凸正透镜的色散系数，f_D表示第一双凹负透镜的焦距，v_D表示第一双凹负透镜的色散系数。

可选地，所述第二双凹负透镜和所述第二双凸正透镜满足以下条件：

|f_Ef_F/(f_E+f_F)|≤26mm

v_E≤24

v_F≥58

其中，f_E表示第二双凹负透镜的焦距，v_E表示第二双凹负透镜的色散系数；f_F表示第二双凸正透镜的焦距，v_F表示第二双凸正透镜的色散系数。

可选地，所述第三双凸正透镜和第四双凸正透镜满足以下条件：

f_G≤25mm

f_H≤45mm

其中，f_G表示第三双凸正透镜的焦距，f_H表示第四双凸正透镜的焦距。

可选地，所述激光透镜镜头还包括镜筒，所述多个光学元件封装在所述镜筒中；

所述激光透镜镜头的热致离焦量满足以下条件：

其中，γ表示镜筒材料的热系数，L表示激光透镜镜头的沿所述激光传播方向的总长度，f_tol表示激光透镜镜头的总焦距，h₁表示主光线在第1个入射表面的高度，h_i表示主光线在第i个入射表面的高度，n_i表示第i个入射表面的折射率，f_i表示第i个入射表面的近轴焦距，δ_i(λ,t)表示第i个入射表面材料的热折射率系数。

可选地，所述平凸正透镜与所述第一双凹负透镜胶合在一起；

所述第二双凹负透镜与所述第二双凸正透镜在一起。

胶体选自为本领域中常用的胶体，例如透明的紫外胶。

可选地，在所述激光传播方向上，所述非球面负透镜与第一双凸正透镜的距离为4.80～4.90mm；

第一双凸正透镜与平凸正透镜的距离为3.00～3.10mm；

第一双凹负透镜与第二双凹负透镜的距离为2.30～2.40mm；

第二双凸正透镜与第三双凸正透镜的距离为0.10～0.14mm；

第三双凸正透镜与第四双凸正透镜的距离为3.10～3.20mm；

第四双凸正透镜与等效转像棱镜的距离为1.10～1.20mm。

优选地，所述多个光学元件的材质为玻璃。

根据本申请的另一方面，还提供了一种激光投影仪，所述激光投影仪包括激光光源、光处理部件以及上述任一项所述的激光透镜镜头；

所述激光光源、光处理部件以及激光透镜镜头按照光路连接。

“热折射率系数”是指折射率的温度系数，即热光系数；

“h_i”表示主光线在第i个入射表面的高度，即边际线在第i片光学元件的高度。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的激光透镜镜头，该激光透镜镜头利用光学元件材料的折射率效应补偿光学元件与机械件的热胀冷缩，实现了无热化效果，保证了系统解像能力以及投影图像的清晰度。

2)本申请所提供的激光透镜镜头，可以实现自动热矫正像差的有益效果，具体参数指标如下：

DMD尺寸：≥1英寸；

分辨率：MTF@65lp/mm≥0.4；

全视场畸变：≤3％；

镜头焦距：≥15mm；

相对孔径：F/#≤2.0；

使用温度：-40℃～+100℃

全视场主光线角度CRA：≤2°

附图说明

图1为本申请一种实施方式中的激光透镜镜头的结构示意图；

图2为本申请一种实施方式中在常温20℃下65lp/mm传函的特性曲线图，其中T表示子午的传递函数，S表示弧矢的传递函数；

图3为本申请一种实施方式中在低温-40℃下65lp/mm传函的特性曲线图，其中T表示子午的传递函数，S表示弧矢的传递函数；

图4为本申请一种实施方式中在高温+60℃下65lp/mm传函的特性曲线图，其中T表示子午的传递函数，S表示弧矢的传递函数；

图5为本申请一种实施方式中的全视场畸变变化特性曲线图；

图6为本申请一种实施方式中的全视场主光线角度CRA的数值。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

本申请提供了一种激光透镜镜头，包括沿光线入射方向，从投影像侧到DMD侧依次设有的如图1所示的非球面负透镜A、第一双凸正透镜B、平凸正透镜C、第一双凹负透镜D、第二双凹负透镜E、第二双凸正透镜F、第三双凸正透镜G、第四双凸正透镜H和等效转像棱镜I。其中，平凸正透镜C和第一双凹负透镜D胶合在一起；第二双凹负透镜E和第二双凸正透镜F胶合在一起。

由于激光投影镜头的视场角比较大，因此首先需要对出射光线进行压缩角度，本申请中通过非球面负透镜A对光线角度进行压缩，从而压缩视场角，为后面镜片校正其它像差做准备，因此需要满足以下条件：

|1/(n_Af_A)|≥0.03mm^-1

其中n_A表示非球面负透镜A的折射率，f_A表示非球面负透镜A的焦距。

非球面负透镜A的光焦度很强，因此光线经过非球面负透镜A之后具有很大的色差，因此位于非球面负透镜A出光方向位置的第一双凸正透镜B可以对这些色差进行校正，同时为了抑制其它像差的产生。

具体地，本申请中的第一双凸正透镜B满足以下条件：

20mm≥f_B≥15mm

40≥v_B≥35

其中，f_B表示第一双凸正透镜B的焦距，v_B表示第一双凸正透镜B的色散系数。

为了校正非球面负透镜A和第一双凸正透镜B产生的像散，同时尽量少产生新的色差，平凸正透镜C和第一双凹负透镜D需要胶合在一起，且满足以下条件：

|f_Cf_D/(f_C+f_D)|≤45mm

(v_C+v_D)/2≥40

其中，f_C表示平凸正透镜C的焦距，v_C表示平凸正透镜C的色散系数。其中，f_D表示第一双凹负透镜D的焦距，v_D表示第一双凹负透镜D的色散系数。

在激光投影镜头中，主光线在DMD芯片上的入射角要尽量平行于光轴，所以从CD双胶合透镜出来的光线，要先对其发散，因此本申请中用两个正透镜-双凸正透镜G和双凸正透镜H矫正主光线角度。本申请还包括双凹负透镜E和双凸正透镜F双胶合透镜，双凹负透镜E和双凸正透镜F双胶合透镜的作用就是发散光线，以升高主光线的位置，该双胶合透镜满足以下条件：

|f_Ef_F/(f_E+f_F)|≤26mm

v_E≤24

v_F≥58

其中f_E表示双凸正透镜E的焦距，v_E表示双凸正透镜E的色散系数。其中f_F表示双凸正透镜F的焦距，v_F表示双凸正透镜F的色散系数。

用于矫正主光线的双凸正透镜G和双凸正透镜H满足以下条件：

f_G≤25mm

f_H≤45mm。

在镜头中，热效应一方面是因为光学元件与机械件的热胀冷缩，另一方面则是因为光学元件材料的热折射率效应。光学元件和机械的热系数虽然会有不同，但总是正值，即随温度的升高而膨胀，温度降低时就会缩小。而光学元件材料的热折射率效应却有正负值甚至为零，而且光学元件材料的热折射率效应对整个系统焦移的影响与这块光学元件在系统中所起的光焦度作用有关。因此本申请所提供的光学系统的无热化就是利用光学元件材料热折射率效应补偿光学元件(例如玻璃)与机械件(例如镜筒)的热胀冷缩。

假设第j面光学元件材料的热系数为α_j，第j面空气的机械件的热系数为β_j，表面之间的厚度为l_j，温度变化量为ΔT，那么总的离焦量为：

ΔL＝ΔT∑(α_jl_j+β_jl_j) (1)

考虑到整个镜头一般都是用同一种金属材料封装，假设这种材料的热系数为γ，系统总长为L，那么总的离焦量就为：

ΔL＝γLΔT (2)

光学元件材料的热折射率系数比较复杂，对于不同材料在不同波长或不同温度下差别很大，假设某种材料的热折射率系数为：

因为温度变化导致材料的折射率变化，材料的折射率变化导致元件的光焦度变化，元件的光焦度变化导致系统的光焦度变化，系统的光焦度变化会产生系统焦移量。无热化的思想就是，用这个焦移量来补偿由温度热胀冷缩而产生的离焦量。

单片薄透镜的光焦度P与折射率的关系为：

P＝n(c₁-c₂) (4)

其中n为玻璃的折射率，c₁和c₂分别为两个面的曲率，所以光焦度与温度的关系为：

单个镜片的光焦度与系统的光焦度的一阶关系为：

其中P_tol表示系统的总光焦度，h_i表示边际线在第i片薄透镜的高度，P_i表示第i片薄透镜的光焦度。因此总光焦度与温度的关系为：

又因为在空气中焦距是光焦度的倒数即，

所以温度导致的焦移量为：

当热胀冷缩的离焦量与热折射率导致的焦移量相等时，就实现了无热化，结合式子(2)和(9)：

为了满足式子(10)以及实现投影镜头的清晰成像，

依据自动热校正的原理，热致离焦量满足以下条件：

其中，h₁表示第一个入射表面的主光线高度，γ表示镜筒材料的热系数，L表示激光透镜镜头的沿所述激光传播方向的总长度，f_tol表示激光透镜镜头的总焦距，h_i表示主光线在第i个入射表面的高度，n_i表示第i个入射表面的折射率，f_i表示第i个入射表面的近轴焦距，δ_i(λ,t)表示第i个入射表面材料的热折射率系数。

具体地，第一个表面是指非球面负透镜A的入光面。

可选地，平凸正透镜C与第一双凹负透镜D通过胶体胶合在一起；第二双凹负透镜E与第二双凸正透镜F通过胶体胶合在一起。

所述非球面负透镜与第一双凸正透镜的距离为4.80～4.90mm；

第一双凸正透镜与平凸正透镜的距离为3.00～3.10mm；

第一双凹负透镜与第二双凹负透镜的距离为2.30～2.40mm；

第二双凸正透镜与第三双凸正透镜的距离为0.10～0.14mm；

第三双凸正透镜与第四双凸正透镜的距离为3.10～3.20mm；

第四双凸正透镜与等效转像棱镜的距离为1.10～1.20mm。

可选地，所述多个光学元件的材质为玻璃。

根据本申请的另一方面，还提供了一种激光投影仪，激光投影仪包括激光光源、光处理部件以及上述任一项中的激光透镜镜头；激光光源、光处理部件以及激光透镜镜头按照光路连接。

具体地，所述激光光源产生的激光经过所述光处理部件处理后，进入激光透镜镜头中。

实施例

如表1所示，是本实施例的各镜片参数：

表1实施例的各镜片参数

根据表1的各个参数，非球面负透镜A满足以下条件：|1/n_Af_A|≥0.03mm^-1；

第一双凸正透镜B满足以下条件：20mm≥f_B≥15mm，40≥v_B＝37.17≥35；

平凸正透镜C和第一双凹负透镜D满足以下条件：|f_Cf_D/(f_C+f_D)|≤45mm，(v_C+v_D)/2＝45.42≥40；

第二双凹负透镜E和第二双凸正透镜F满足以下条件：|f_Ef_F/(f_E+f_F)|≤26mm；v_E＝23.79≤24；v_F＝58.40≥58；

第三双凸正透镜G和第四双凸正透镜H满足以下条件：f_G≤25mm；f_H≤45mm。

根据表1的各个参数，利用ZEMAX或者CODEV仿真软件，经过光线追击法进行计算，得到图2～图6结果。

如图2所示，是本实施例在常温20℃下65lp/mm传函的特性曲线图，其中T表示子午的传函，S表示弧矢的传函；可以看出，全视场的传递函数都大于0.6。DMD像元大小要求传函在65lp/mm大于0.4。结合实际制造的公差，可以很容易调试出65lp/mm传递函数大于0.4的镜头。

如图3和图4可以看出，在满足本发明总离焦量要求的条件下，分别在-40℃和+60℃的环境下，65lp/mm传递函数变化不大。在投影机工作期间，镜头温度发生变化，但是镜头成像效果也变化不大。

如图5所示，可以看出全视场的畸变小于3％，这个条件下，人眼基本上看不出图像畸变。

如图6所示，可以看出全视场主光线角度(CRA)都小于2°，这个条件下，投影出来图像不会出现边缘偏暗的情况。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (7)

1.一种激光透镜镜头，其特征在于，所述激光透镜镜头包括多个光学元件；

所述多个光学元件包括沿激光传播方向依次设置的非球面负透镜、第一双凸正透镜、平凸正透镜、第一双凹负透镜、第二双凹负透镜、第二双凸正透镜、第三双凸正透镜、第四双凸正透镜和等效转像棱镜；

其中，所述平凸正透镜与所述第一双凹负透镜胶合在一起；

所述第二双凹负透镜与所述第二双凸正透镜胶合在一起；

所述激光透镜镜头还包括镜筒，所述多个光学元件封装在所述镜筒中；

所述激光透镜镜头的热致离焦量满足以下条件：

其中，γ表示镜筒材料的热系数，L表示激光透镜镜头的沿所述激光传播方向的总长度，f_tol表示激光透镜镜头的总焦距，h₁表示主光线在第1个入射表面的高度，h_i表示主光线在第i个入射表面的高度，n_i表示第i个入射表面的折射率，f_i表示第i个入射表面的近轴焦距，δ_i(λ,t)表示第i个入射表面材料的热折射率系数；

所述非球面负透镜满足以下条件：

|1/(n_Af_A)|≥0.03mm^-1

其中n_A表示非球面负透镜的折射率，f_A表示非球面负透镜的焦距；

所述第一双凸正透镜满足以下条件：

20mm≥f_B≥15mm

40≥v_B≥35

其中，f_B表示第一双凸正透镜的焦距，v_B表示第一双凸正透镜的色散系数。

2.根据权利要求1所述的激光透镜镜头，其特征在于，所述平凸正透镜和所述第一双凹负透镜满足以下条件：

|f_Cf_D/(f_C+f_D)|≤45mm

(v_C+v_D)/2≥40

其中，f_C表示平凸正透镜的焦距，v_C表示平凸正透镜的色散系数，f_D表示第一双凹负透镜的焦距，v_D表示第一双凹负透镜的色散系数。

3.根据权利要求1所述的激光透镜镜头，其特征在于，所述第二双凹负透镜和所述第二双凸正透镜满足以下条件：

|f_Ef_F/(f_E+f_F)|≤26mm

v_E≤24

v_F≥58

其中，f_E表示第二双凹负透镜的焦距，v_E表示第二双凹负透镜的色散系数；f_F表示第二双凸正透镜的焦距，v_F表示第二双凸正透镜的色散系数。

4.根据权利要求1所述的激光透镜镜头，其特征在于，所述第三双凸正透镜和第四双凸正透镜满足以下条件：

f_G≤25mm

f_H≤45mm

其中，f_G表示第三双凸正透镜的焦距，f_H表示第四双凸正透镜的焦距。

5.根据权利要求1所述的激光透镜镜头，其特征在于，所述平凸正透镜与所述第一双凹负透镜胶合在一起；

所述第二双凹负透镜与所述第二双凸正透镜胶合在一起。

6.根据权利要求1所述的激光透镜镜头，其特征在于，在所述激光传播方向上，所述非球面负透镜与第一双凸正透镜的距离为4.80～4.90mm；

第一双凸正透镜与平凸正透镜的距离为3.00～3.10mm；

第一双凹负透镜与第二双凹负透镜的距离为2.30～2.40mm；

第二双凸正透镜与第三双凸正透镜的距离为0.10～0.14mm；

第三双凸正透镜与第四双凸正透镜的距离为3.10～3.20mm；

第四双凸正透镜与等效转像棱镜的距离为1.10～1.20mm。

7.一种激光投影仪，其特征在于，所述激光投影仪包括激光光源、光处理部件以及权利要求1至6任一项所述的激光透镜镜头；

所述激光光源、光处理部件以及激光透镜镜头按照光路连接。

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