CN112764298A - 一种投影镜头系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种投影镜头系统，包括依次排列设置的第一折射透镜组，所述第一折射透镜组包括至少两片同轴排列的球面透镜；孔径光阑；第二折射透镜组，所述第二折射透镜组包括至少一片偶次非球面透镜；等效棱镜，及微显示芯片；其中，所述第一折射透镜组里的至少一块所述球面透镜在所述第一折射透镜组的总长不变的情况下可同轴调整位置。上述投影镜头系统，通过第一折射透镜组里的一块球面透镜使第一折射透镜组的总长不变的情况下可同轴调整位置，以补偿温度引起的离焦或作镜头装配时的公差补偿，使得该投影镜头系统具有镜头结构紧凑，投影图像清晰度高、畸变小、公差实施性良好等一系列的优点。

Description

一种投影镜头系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种投影镜头系统。
背景技术
随着投影设备在生活中扮演的角色越来越多元化，应用的领域也日趋丰富，更多的光机需要嵌入微型投影。这对投影镜头的要求也越来越高，结构需要更加紧凑，投屏的范围更大，成像效果更好，工艺性良好的投影镜头成为主流，也能让微型投影真正的走入家庭影院。
在镜头和棱镜之间加入振镜，投影镜头通过设置的振镜参与成像，使得投影镜头的器件静止时的分辨率为DMD芯片固有分辨率，而振镜参与成像时是更高的分辨率。在镜头和棱镜之间加入振镜，投影镜头的后焦需要预留振镜的空间，由于增加了镜头的后截距，会使投影镜头体积增大，要控制体积，保证像质和畸变，以及良好的工艺性，镜头的设计难度也就增加了。
投影镜头设计时为了结构紧凑，并提高成像像质，往往需要用非球面透镜，而由于玻璃非球面的加工成本比较高且面型精度不容易控制，镜头设计有时会在前组用到一块塑料非球面来降低成本，但是，由于塑料的材料特性对温度比较敏感，所以镜头在高温工作时容易跑焦。
发明内容
本发明的目的是提供一种投影镜头系统，以解决现有的投影镜头在高温工作时容易跑焦的问题。
本发明提供了一种投影镜头系统，包括依次排列设置的：
第一折射透镜组，所述第一折射透镜组包括至少两片同轴排列的球面透镜；
孔径光阑；
第二折射透镜组，所述第二折射透镜组包括至少一片偶次非球面透镜；
等效棱镜，及
微显示芯片；
其中，所述第一折射透镜组里的至少一块所述球面透镜在所述第一折射透镜组的总长不变的情况下可同轴调整位置。
进一步地，所述第一折射透镜组包括第一偶次非球面透镜组和第一双凸透镜，所述第二折射透镜组包括第一双胶合透镜和第二偶次双凸非球面透镜组，所述第一偶次非球面透镜组包括至少一个负焦距的塑料透镜；其中所述第一双凸透镜在保证第一折射透镜组的总长不变下可同轴调整位置，以补偿所述塑料透镜在高温下改变材料参数而引起的离焦现象。
进一步地，所述第一偶次非球面透镜组由弯月型玻璃球面透镜和偶次非球面塑料透镜组成，所述弯月型玻璃球面透镜和所述偶次非球面塑料透镜均为负焦距。
进一步地，所述第一折射透镜组的公差补偿的位置在所述第一折射透镜组内，以保持所述第一折射透镜组的总长一致，并同轴调节所述第一双凸透镜的位置。
进一步地，还包括：
内镜筒；
外镜筒；
调节连杆；
步进电机；及
连到外镜筒上的温度传感器；
其中，所述第一双凸透镜装配在所述内镜筒内，其他透镜组装配在所述外镜筒内，所述调节连杆将所述内镜筒连接到所述步进电机上，而所述步进电机安装于所述外镜筒上；其中所述温度传感器的传感温度用来控制所述步进电机来自动调整所述第一双凸透镜，以补偿温度引起的离焦。
进一步地，所述第一双胶合透镜由一个负焦距透镜和一个双凸透镜胶合而成。
进一步地，所述投影镜头系统是6片式镜头设计，其中所述第一折射透镜组包括第一负焦距弯月型透镜、第一偶次负焦距非球面透镜和所述第一双凸透镜组成，所述第一折射透镜组的焦距在-525mm至-275mm之间，其中所述第二折射透镜组的焦距在10mm到30mm之间。
进一步地，所述的投影镜头是5片式镜头设计，其中所述第一折射透镜组包括第一偶次非球面透镜和所述第一双凸透镜，所述第一折射透镜组的焦距在10mm至35mm之间，其中所述第二折射透镜组的焦距在5mm到20mm之间。
进一步地，所述第一偶次非球面透镜组和所述第二偶次双凸非球面透镜组为环保玻璃材料，以避免塑料非球面由于工作温度的上升给镜头带来的离焦现象。
进一步地，采用远心光学系统设计，还包括DMD芯片，所述DMD芯片相对于光轴偏置放置，实现该投影物镜在工作时出射光线向上偏置为100％，而全视场的畸变控制在0.5％以内。
进一步地，所述微显示芯片为LCOS(液晶硅基)面板，所述等效棱镜为PBS/偏振分光棱镜。
进一步地，所述第二折射透镜组和等效棱镜之间设置有振镜，工作时用来提高所述投影镜头系统的分辨率。
上述投影镜头系统，通过第一折射透镜组里的一块球面透镜使第一折射透镜组的总长不变的情况下可同轴调整位置，以补偿温度引起的离焦或作镜头装配时的公差补偿，且第一双胶合透镜采用高折射率低色散材料与低折射率高色散材料的组合，能够对球差，色差和二级光谱具有良好的校正能力，第一双凸透镜可调整的设置，以通过对第一双凸透镜在第一折射透镜组的自动调节，实现温差补偿，同时该投影镜头系统具有镜头结构紧凑，投影图像清晰度高、畸变小、公差实施性良好等一系列的优点。
附图说明
图1是本发明第一实施例中的投影镜头系统的光学结构图；
图2是图1中的投影镜头系统实现温度补偿的镜头结构；
图3是图1中的投影镜头系统各视场在常温下的传递函数MTF图；
图4是图1中的投影镜头系统各视场在场曲和畸变图；
图5是图1中的投影镜头系统的垂轴色差图；
图6是图1中的投影镜头系统在65度高温镜筒下补偿前的各视场传递函数MTF图；
图7是图1中的投影镜头系统在65度高温镜筒下温度补偿后的各视场传递寒素MTF图；
图8是本发明第二实施例中的投影镜头系统的光学结构图；
图9是图8中的投影镜头系统的各视场传递函数MTF；
图10是图8中的投影镜头系统各视场在场曲和畸变图；
图11是图8中的投影镜头系统的垂轴色差图。
主要元件符号说明：
Figure BDA0002925890800000041
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干个实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图7，本发明第一实施例提供的一种投影镜头系统，包括依次排列设置的第一折射透镜组10，所述第一折射透镜组10至少包括两片同轴排列的球面透镜；孔径光阑20；第二折射透镜组30，所述第二折射透镜组30至少包括一片偶次非球面透镜；等效棱镜40，及微显示芯片50；其中，所述第一折射透镜组10里的至少一块所述球面透镜在所述第一折射透镜组10的总长不变的情况下可同轴调整位置。
上述投影镜头系统，通过第一折射透镜组里的一块球面透镜使第一折射透镜组的总长不变的情况下可同轴调整位置，以补偿温度引起的离焦或作镜头装配时的公差补偿，以解决现有的投影镜头在高温工作时容易跑焦的问题。
具体的，所述的第一个发明实施例中的投影镜头系统是六片式镜头设计，其中第一折射透镜组10包括由第一负焦距弯月型透镜111和第一偶次负焦距非球面透镜112组成的第一偶次非球面透镜组11和第一双凸透镜12，该第一折射透镜组10的焦距在-275mm到-525mm之间，优选地在-300mm到-500mm之间。其中，具有正焦距的第二折射透镜组30包括由双凸透镜311和负焦距双凹透镜312胶合的第一双胶合透镜31和第二偶次双凸非球面透镜组32，该第二折射透镜组30的焦距在10mm到30mm之间，优选地15mm到22mm之间。该投影镜头设计可以用于0.33英寸的DMD投影系统。
可以理解的，在本发明的其他实施例中，该第一折射透镜组10的焦距可以为-575mm至-275mm,其中第一偶次非球面透镜组11的焦距可以为-25mm至-5mm，第一双凸透镜12的焦距康有为8mm至35mm。所述的第一折射透镜组10中的第一偶次负焦距非球面透镜112的材料为玻璃材质或是塑料材质均可。所述的第二折射透镜组30包括依次设置的第一双胶合透镜31，第二偶次双凸非球面透镜组32。该第二折射透镜组的焦距可以为10mm至30mm。所述的第一双胶合透镜31可以包括双凸透镜311和负焦距双凹透镜312，其中负焦距双凹透镜312采用高折射低色散的材料配合双凸透镜311采用的低折射高色散的材料胶合，该第一双胶合透镜31能够对球差，色差和二级光谱具有良好的校正能力，通过调整第一折射透镜组10的第一双凸透镜12可补偿第一偶次负焦距塑料透镜在高温环境中引起的热态离焦。
在本发明的一个实施例中，第一个偶次非球面透镜(第一负焦距弯月型透镜111)和第二个偶次非球面透镜(第一偶次负焦距非球面透镜112)可以为环保玻璃材料，以避免塑料非球面由于工作温度的上升给镜头带来的离焦现象。
在本发明的一个实施例中，所述第一折射透镜组10包括第一偶次非球面透镜组11和第一双凸透镜12，所述第二折射透镜组30包括第一双胶合透镜31和第二偶次双凸非球面透镜组32，所述第一偶次非球面透镜组11包括至少一个负焦距的塑料透镜。具体的，所述第一偶次非球面透镜组11包含一个负焦距的塑料透镜，通过温度传感检测温度，再利用第一双凸透镜在保证第一折射透镜组10总长不变，并同轴调整第一双凸透镜12的位置，补偿温度引起的离焦。
在本发明的一个实施例中，所述第一偶次非球面透镜组11由弯月型玻璃球面透镜和偶次非球面塑料透镜组成，所述弯月型玻璃球面透镜和所述偶次非球面塑料透镜均为负焦距通过温度传感器检测温度，再利用第一双凸透镜12在第一折射透镜组10的自动调节，补偿温度引起的离焦。
具体的，在本发明实施例中，所述第一折射透镜组10的公差补偿的位置在所述第一折射透镜组10内，以保持所述第一折射透镜组10的总长一致，并同轴调节所述第一双凸透镜12的位置，来保证良好的公差补偿，使该投影镜头系统具有良好的工艺性。
具体的，在本发明实施例中，如图2所示，投影镜头系统还包括内镜筒100；外镜筒200；调节连杆300；步进电机400；其中，所述第一双凸透镜12装配在所述内镜筒100内，其他透镜组装配在所述外镜筒200内，所述调节连杆300将所述内镜筒100连接到所述步进电机400上，而所述步进电机400安装于所述外镜筒200上。通过在外镜筒200上的温度传感器(图未示出)来控制步进电机来自动调整第一双凸透镜12，来补偿温度引起的离焦。
具体的，在本发明实施例中，所述第一双胶合透镜31由一个负焦距透镜(负焦距双凹透镜312)和一个双凸透镜(双凸透镜311)胶合而成。其中负焦距透镜采用高折射低色散的材料配合双凸透镜采用的低折射高色散的材料胶合，该双胶合透镜可以有效地校正球差，色差和二级光谱像差。
具体的，在上述投影镜头系统中，第一个所述偶次非球面透镜(第一偶次非球面透镜组11)的前表面为二次曲面，后表面为八阶偶次非球面，第二个所述偶次非球面透镜(第一双凸透镜12)的前后表面均为八阶偶次非球面，来保证加工过程中良好的面精度。
图3是第一实施例中的所述的6片式投影物镜系统在室温工作状态下的各视场的传递函数MTF值，MTF(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，代表镜头成像质量越好，横坐标代表分辨率，单位每毫米线对数。微显示DMD投影镜头系统由于需要在像方工作距上加上TIR或RTIR，以及振镜60，使得投影物镜系统的设计难度加大，而且往往镜头需要加长，本发明通过优化设计，在较少的片数下就能达到很好的MTF和其他像差特性，并且结构紧凑。本发明的6片式投影物镜系统的实施例采用的像源像素大小为5.4um，对应的设计分辨率为93线对/毫米各视场的MTF达到0.5以上。图4是本实施例所述的6片式投影物镜系统各视场在屏幕面上的场曲和畸变图，全视场的畸变控制在0.5％以内。图5是本实施例所述的6片式投影物镜系统各视场在屏幕面上的垂轴色差图。全视场的垂轴色差可以控制在3.7um以内。该投影镜头使用了2片非球面镜片。每片非球面镜片纠正像差的能力接近数片球面镜片，所以比起纯球面镜片，有效减少了镜片所需的数量，缩短了镜头的长度。
图6是实施例所述的6片式投影物镜系统在高温工作状态65度时补偿前的各视场MTF，可以看出高温时由于塑料非球面产生高温离焦试得MTF下降很明显，降到0.2以下。图7是通过调整第一折射透镜组10里的第一双凸透镜12来调整补偿而达到的各视场MTF，可以看出通过调整第一双凸透镜12的位置使得MTF可以改善到0.5以上，从而实现MTF的高温离焦补偿。
请参阅图8至图11，本发明第二实施例提供的投影镜头系统，所述第二实施例中的投影镜头系统是五片式镜头设计，其中第一折射透镜组10包括第一偶次非球面透镜13和第一双凸透镜12，该第一折射透镜组10的焦距在10mm到35mm之间，优选地在15mm到30mm之间。具有正焦距的第二折射透镜组30包括由双凸透镜311和负焦距双凹透镜312胶合的第一双胶合透镜31和第二偶次双凸非球面透镜组32，该第二折射透镜组的焦距5mm到20mm之间，优选地在9mm到18mm之间。该投影镜头可用于0.23英寸的DMD投影系统。
上述投影镜头系统，通过第一折射透镜组里的一块球面透镜使第一折射透镜组的总长不变的情况下可同轴调整位置，以补偿温度引起的离焦或作镜头装配时的公差补偿，以解决现有的投影镜头在高温工作时容易跑焦的问题。
需要说明的是，该投影镜头系统的第一折射透镜组10的焦距可以在10mm到35mm之间，其中第一偶次非球面透镜13的焦距可以为-25mm至-5mm，第一双凸透镜12的焦距可以为8mm至35mm。所述的第一折射透镜组10中的第一偶次非球面透镜13的材料为玻璃材质或是塑料材质均可。所述的第二折射透镜组30包括依次设置的第一双胶合透镜31和第二偶次双凸非球面透镜组32。该第二折射透镜组的焦距5mm<f<20mm。所述的第一双胶合透镜31包括双凸透镜311和负焦距双凹透镜312，其中负焦距双凹透镜312采用高折射低色散的材料配合双凸透镜311采用的低折射高色散的材料胶合，该第一双胶合透镜31能够对球差，色差和二级光谱具有良好的校正能力。通过调整第一折射透镜组10的第一双凸透镜12可补偿第一偶次负焦距塑料透镜在高温环境中引起的热态离焦。
在本发明的一个实施例中，采用远心光学系统设计，其中微显示芯片50为DMD芯片，所述DMD芯片相对于投影镜头系统的光轴偏置放置，实现该投影镜头系统在工作时出射光线向上偏置为100％，而全视场的畸变控制在0.5％以内。
在本发明的其他实施例中，微显示芯片50还可以为LCOS(液晶硅基)显示面板，等效棱镜40可以为PBS/偏振分光棱镜。
在本发明的其他实施例中，第二折射透镜组30和等效棱镜40之间设置有振镜60，工作时用来提高投影系统的分辨率。
上述投影镜头系统，通过第一折射透镜组10里的一块球面透镜使第一折射透镜组10的总长不变的情况下可同轴调整位置，以补偿温度引起的离焦或作镜头装配时的公差补偿，且第一双胶合透镜31采用高折射率低色散材料与低折射率高色散材料的组合，能够对球差，色差和二级光谱具有良好的校正能力，第一双凸透镜12可调整的设置，以通过对第一双凸透镜12在第一折射透镜组10的自动调节，实现温差补偿，同时该投影镜头系统具有镜头结构紧凑，投影图像清晰度高、畸变小、公差实施性良好等一系列的优点。
需要说明的是，上述投影镜头系统中的DMD芯片为微显示面板来显示需要投影的图像或视频，等效棱镜为TIR或RTIR棱镜，用于读出DMD的输出图像，振镜60为可偏转的平板，用于增强图像分辨率，从qHD(960*540)增强到HD(1280*720)或Full HD(1920*1080)。
在微显示DMD投影镜头系统中，由于需要在像方工作距上加上TIR或RTIR，以及振镜60，使得镜头的设计难度加大，而且往往镜头需要加长，本发明通过优化设计，在较少的片数下就能达到很好的MTF和其他像差特性，并且结构紧凑。图9是实施例所述的5片式投影物镜的成像质量的评价函数，可以看出该5片式设计各视场的MTF在对应的设计分辨率为93线对/毫米时达到0.6以上，像质清晰度很好。
图10是本实施例所述的5片式投影物镜各视场在屏幕面上的场曲和畸变图，全视场的畸变控制在0.5％以内。
图11是本实施例所述的5片式投影物镜各视场在屏幕面上的垂轴色差图，全视场的垂轴色差可以控制在3.5um以内。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种投影镜头系统，其特征在于，包括依次排列设置的：
第一折射透镜组，所述第一折射透镜组包括至少两片同轴排列的球面透镜；
孔径光阑；
第二折射透镜组，所述第二折射透镜组包括至少一片偶次非球面透镜；
等效棱镜，及
微显示芯片；
其中，所述第一折射透镜组里的至少一块所述球面透镜在所述第一折射透镜组的总长不变的情况下可同轴调整位置。
2.根据权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于，所述第一折射透镜组包括第一偶次非球面透镜组和第一双凸透镜，所述第二折射透镜组包括第一双胶合透镜和第二偶次双凸非球面透镜组，所述第一偶次非球面透镜组包括至少一个负焦距的塑料透镜；其中所述第一双凸透镜在保证第一折射透镜组的总长不变下可同轴调整位置，以补偿所述塑料透镜在高温下改变材料参数而引起的离焦现象。
3.根据权利要求2所述的投影镜头系统，其特征在于，所述第一折射透镜组的公差补偿的位置在所述第一折射透镜组内，以保持所述第一折射透镜组的总长一致，并同轴调节所述第一双凸透镜的位置。
4.根据权利要求2所述的投影镜头系统，其特征在于，还包括：
内镜筒；
外镜筒；
调节连杆；
步进电机；及
连到外镜筒上的温度传感器；
其中，所述第一双凸透镜装配在所述内镜筒内，其他透镜组装配在所述外镜筒内，所述调节连杆将所述内镜筒连接到所述步进电机上，而所述步进电机安装于所述外镜筒上；其中所述温度传感器的传感温度用来控制所述步进电机来自动调整所述第一双凸透镜，以补偿温度引起的离焦。
5.根据权利要求2所述的投影镜头系统，其特征在于，所述第一双胶合透镜由一个负焦距透镜和一个双凸透镜胶合而成，其中负焦距透镜采用高折射低色散的材料配合双凸透镜采用的低折射高色散的材料胶合，该双胶合透镜可以有效地校正球差、色差和二级光谱像差。
6.根据权利要求2所述的投影镜头系统，其特征在于，所述投影镜头系统是6片式镜头设计，其中所述第一折射透镜组包括第一负焦距弯月型透镜、第一偶次负焦距非球面透镜和所述第一双凸透镜，所述第一折射透镜组的焦距在-525mm至-275mm之间，其中所述第二折射透镜组的焦距在10mm到30mm之间。
7.根据权利要求2所述的投影镜头系统，其特征在于，所述的投影镜头系统是5片式镜头设计，其中所述第一折射透镜组包括第一偶次非球面透镜和所述第一双凸透镜，所述第一折射透镜组的焦距在10mm至35mm之间，其中所述第二折射透镜组的焦距在5mm到20mm之间。
8.如权利要求2所述的投影镜头系统，其特征在于，所述第一偶次非球面透镜组和所述第二偶次双凸非球面透镜组为环保玻璃材料，以避免塑料非球面由于工作温度的上升给镜头带来的离焦现象。
9.根据权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于，采用远心光学系统设计，还包括DMD芯片，所述DMD芯片相对于光轴偏置放置，实现该投影物镜在工作时出射光线向上偏置为100％，而全视场的畸变控制在0.5％以内。
10.如权利要求1所述的投影镜头系统，其特征在于，所述第二折射透镜组和等效棱镜之间设置有振镜，工作时用来提高所述投影镜头系统的分辨率。
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