CN112987264A - 一种大视场高亮度的超短焦投影镜头 - Google Patents

一种大视场高亮度的超短焦投影镜头 Download PDF

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CN112987264A CN202110458168.7A CN202110458168A CN112987264A CN 112987264 A CN112987264 A CN 112987264A CN 202110458168 A CN202110458168 A CN 202110458168A CN 112987264 A CN112987264 A CN 112987264A
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Abstract

本发明公开了一种大视场高亮度的超短焦投影镜头，包括折射镜组和反射镜组，其中折射镜组包括：至少含有一个非球面透镜且第一透镜为非球面透镜的第一透镜组，只包含一个接近于零光焦度的非球面透镜的第二透镜组，以及至少包含一个非球面透镜和至少一个胶合透镜的第三透镜组；反射镜组包括一片非球面反射镜。本发明具有投影幅面大，工艺性好，高温下不虚焦不脱膜的优点。

Description

一种大视场高亮度的超短焦投影镜头
技术领域
本发明涉及投影镜头技术领域，具体为一种大视场高亮度的超短焦投影镜头。
背景技术
近年来随着商务、娱乐以及家庭影院的兴起，超短焦投影镜头由于投影距离短，不占空间，投影幅面大，有着良好的观赏效果，故而受到市场的青睐。
目前实现短距离大幅面的投影效果的常见方式有两种：一种是使用传统的折射镜头，一般为反远距型的广角镜头，镜头镜片数量多，成本高，畸变大，幅面大小仍然比较有限。另一种是采用折射镜头加反射镜组合而成的折反式镜头，这种折反式镜头容易实现大的幅面，缺点是含有较多的非球面镜片，一般4～5片，开模成本高，生产良率低，为节约成本，使用塑料非球面透镜，往往存在虚焦现象。
例如在专利CN103777314A一种广角投影镜头，其使用凹面混合式架构所设计的大光圈(f/1.67)广角投影镜头。广角镜头包括折射系统及反射系统，而其中折射系统包括多个球面透镜及至少一个非球面透镜的第一透镜群及包括至少二个非球面透镜及至少一个球面透镜的第二透镜群，该至少二个非球面透镜中任两者之间设置有该至少一个球面透镜，其有效焦距(Effective Focal Length,EFFL)＝-2.89mm、焦数(f/#)＝1.67、偏移量(offset)＝122％、解析能力可达67lp/mm、可投影出的画面尺寸为40～60吋、投影距离为282～418mm以及投射比为0.274～0.278，投射比大，无法实现在较短的投影距离实现较大的投影幅面。
CN207396833U一种超小体积4K分辨率的超短焦投影光学系统，其技术方案的要点是在投射方向上依次包括有：DMD芯片、等效棱镜、4K振镜、折射透镜组件和非球面反射镜；所述折射透镜组件沿投射方向依次包括有：能相对DMD芯片前后移动的第一透镜组、能相对DMD芯片前后移动的第二透镜组、相对DMD芯片静止的第三透镜组；所述第一透镜组的光焦度为正，所述第二透镜组的光焦度为正，所述第三透镜组的光焦度为负。其不仅投影比大，无法实现在较短的投影距离实现较大的投影幅面，而且采用四个非球面透镜，在模具成本节约以及公差方面都不具有优势。
为了达到投影幅面大，工艺性好，高温下不虚焦不脱膜的投影效果，设计一种大视场高亮度的超短焦投影镜头是很有必要的。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种大视场高亮度的超短焦投影镜头，为了达到投影幅面大，工艺性好，高温下不虚焦不脱膜的投影效果，本发明专利可使用激光光源，可达4K分辨率，并实现0.18的投射比，高温下不虚焦，折射镜头仅使用三个非球面透镜，在模具成本节约以及公差方面都具有优势。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大视场高亮度的超短焦投影镜头，包括折射镜组和反射镜组，其中折射镜组包括：至少含有一个非球面透镜且第一透镜为非球面透镜的第一透镜组，只包含一个接近于零光焦度的非球面透镜的第二透镜组，以及至少包含一个非球面透镜和至少一个胶合透镜的第三透镜组；反射镜组包括一片非球面反射镜。
优选地，第一透镜组中非球面透镜靠近芯片，为折射系统的第一非球面透镜；第一透镜组中至少含有一个胶合透镜以及至少3个单透镜，并且胶合透镜位于光阑附近；第二透镜组仅由一个正弱光焦度非球面透镜组成并可沿轴向前后移动；第三透镜组的非球面透镜靠近反射镜组，胶合透镜则靠近第二透镜组。
优选地，第一透镜组的胶合透镜中，负透镜为高折射率(Nd≥1.84)低阿贝数(Vd≤34)材质，正透镜为低折射率(Nd≤1.50)高阿贝数(Vd≥70)材质；第三透镜组的胶合透镜为双胶合透镜，并靠近第二透镜组，胶合透镜具有消色差功能，正透镜为低折射率(Nd≤1.50)高阿贝数(Vd≥60)材质，负透镜为较高折射率(Nd≥1.75)低阿贝数(Vd≤28)材质。
优选地，第一透镜组中非球面透镜至少有一个表面是凸面；第一透镜组的若干单透镜中，存在光焦度按照“正-负-正”顺序排列的类似于三片式镜头的布局；第二透镜组中弱光焦度非球面透镜的光焦度绝对值在0～0.01范围内，形状为大致的弯月形；第三透镜组中双胶合透镜的外侧轮廓为厚弯月透镜，弯曲方向背向光阑。
优选地，由物侧至像侧顺序，所述第一透镜组包括：第一非球面透镜、第一胶合透镜、光阑孔、第四球面透镜、第五球面透镜以及第六球面透镜，其中第一胶合透镜依次由第一球面透镜、第二球面透镜以及第三球面透镜胶合而成。
优选地，由物侧至像侧顺序，所述第二透镜组仅包括：第二非球面透镜。
优选地，由物侧至像侧顺序，所述第三透镜组包括：第二胶合透镜、第九球面透镜以及第三非球面透镜，其中第二胶合透镜依次由第七球面透镜和第八球面透镜胶合而成。
本发明的有益效果为：
1、该镜头投影幅面大，工艺性好，高温下不虚焦不脱膜，可使用激光光源，可达4K分辨率，并实现0.18的投射比，高温下不虚焦；
2、折射镜头仅使用三个非球面透镜，在模具成本节约以及公差方面都具有优势；
3、通过优化平衡不同温度下的像质，使得镜头在20℃～60℃之间不发生虚焦现象。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的超短焦投影镜头的结构示意图；
图2(a)、图2(b)以及图2(c)分别为本发明的第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组的结构示意图；
图3为本发明投影镜头的光线路径示意图；
图4为光线经过本发明投影镜头的实际场景示意图；
图5为本发明成像质量的模拟图，其中图5(a)和图5(b)分别为本发明的超短焦投影镜头在20℃下，100英寸和171英寸投影画面时，屏幕处的垂轴色差图，100英寸投影画面尺寸时，像素大小为1157um，171英寸投影画面尺寸时，像素大小为1970um；
图6为本发明成像质量的模拟图，其中图6(a)和图6(b)分别为本发明的超短焦投影镜头在20℃下，100英寸和171英寸投影画面时，屏幕处的横向光扇图，图6(a)的比例尺为±1000um，图6(b)的比例尺为±2000um；
图7为本发明成像质量的模拟图，其中图7(a)和图7(b)分别为本发明的超短焦投影镜头在100英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的MTF图。100英寸投影画面下，MTF观察线对为0.43lp/mm；
图8为本发明成像质量的模拟图，其中图8(a)和图8(b)分别为本发明的超短焦投影镜头在171英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的MTF图。171英寸投影画面下，MTF观察线对为0.255lp/mm；
图9为本发明另一实施例的光线路径示意图；
主要组件符号说明：
Figure BDA0003040290720000041
Figure BDA0003040290720000051
具体实施方式
本申请所提出的发明将可由以下的具体实施例说明而得到充分的理解，使得本领域的技术人员可以完成，然而申请之实施例并非可由下列实施例而被限制其实施形态，熟悉本技艺之人士可依据既揭露之实施例的精神推演其他实施例，该等实施例皆当属于本发明之范围。譬如，将胶合透镜的胶合面拆开，代以薄的空气间隙，并且单透镜轮廓形状保持类似，应视为本发明专利的适当延伸，在本专利的保护范围之内。
参考图1-4，其为本发明的超短焦投影镜头的结构示意图，依光线传播之先后顺序，本发明的超短焦投影镜头100具有一光轴105，且该投影镜头100包括芯片101，芯片保护玻璃102、等效棱镜103、振镜104、第一透镜组110、第二透镜组120，第三透镜组130，反射镜组140；其中第一透镜组110依光线传播之先后顺序，依次包含第一非球面透镜111，第一球面透镜112、第二球面透镜113、第三球面透镜114、光阑孔115、第四球面透镜116、第五球面透镜117、第六球面透镜118，第一非球面透镜111有效地校正球差和保证芯片侧光束远心，第一球面透镜112、第二球面透镜113和第三球面透镜114主要负责色差和二级光谱的校正，通过优化透镜材质和胶合半径，可以对像散和彗差具有校正作用，第四球面透镜116、第五球面透镜117和第六球面透镜118利用其材质组合、半径以及间隔，主要对球差和彗差进行校正；第二透镜组120依光线传播之先后顺序，只包含第二非球面透镜121，第二非球面透镜121的主要作用是校正不同投影距离引起的像差；第三透镜组130依光线传播之先后顺序，依次包含第七球面透镜131、第八球面透镜132、第九球面透镜133以及第三非球面透镜134，第三非球面透镜134的光焦度为负，其主要作用一个是将各个视场的接近平行的光束会聚成一个像点，为反射镜组140提供一个实像点，另一个是与反射镜组140一起校正不同视场的像散和畸变，第七球面透镜131和第八球面透镜132具有色差校正作用，第九球面透镜133通过自身弯曲以及材料选择，承担彗差和像散的校正任务；反射镜组140仅包含一个非球面反射镜，为轴对称的偶次非球面，负责将折射透镜组所成的实像点再次成像，投影在屏幕上，由于各个视场的光束分散地打在反射镜的不同位置，故偶次非球面可以相对独立地校正不同视场的像差，反射镜主要校正系统的场曲和畸变。
本发明的芯片101，其一般包括数字微镜阵列(DMD)以及反射式硅基板液晶显示(LCOS)。
参考图2(a)，为本发明的第一透镜组结构示意图，其中，第一非球面透镜111位于第一透镜组的最左侧，靠近芯片101，为折射系统的第一非球面透镜，至少有一个表面是凸面；第一球面透镜112、第二球面透镜113以及第三球面透镜114胶合成一个三胶合透镜，其中，第一球面透镜112以及第三球面透镜114均具有低折射率(Nd≤1.50)高阿贝数(Vd≥70)，第二球面透镜113为双凹负透镜，且具有高折射率(Nd≥1.84)低阿贝数(Vd≤34)。
在第一透镜组中，第一非球面透镜111表面上各个视场的光束相对分散，重叠区域相对该组中其他透镜较少，在使用非球面面型时，可以较为有利地校正不同视场的光线角度和像差，使系统保持物方远心状态，提高亮度；第一球面透镜112、第二球面透镜113以及第三球面透镜114胶合而成的三胶合透镜，其材质选择起到校正垂轴色差以及二级光谱的重要作用，胶合面则主要承担对像散和彗差的校正。
光阑孔115与第四球面透镜116的其中一个表面重合，该表面为平面。
第四球面透镜116、第五球面透镜117和第六球面透镜118组合出一个类似于库克三片式的镜头结构，构造出两种“空气透镜”，一种是夹在第四球面透镜116和第五球面透镜117之间的具有强光焦度弯月形状的“空气透镜”，一种是夹在第五球面透镜117和第六球面透镜118之间的接近同心的具有弱光焦度弯月形状的“空气透镜”，光线在前者中以较大的光线角度产生高阶像差，后者则利用相近表面曲率上光线角度的细微差异产生高阶像差，这对于高级球差、色球差、带球差、彗差以及像散起到很好的平衡以及校正作用。
参考图2(b)，为本发明的第二透镜组结构示意图，第二非球面透镜121的光焦度接近于零，弱光焦度使得其在移动的过程中对系统的总光焦度几乎不产生影响，通过其表面的高阶非球面系数，对中等视场和边缘视场的光线进行微调，使之得以兼容不同投影距离带来的微妙的像差变化。
参考图2(c)，为本发明的第三透镜组结构示意图，其中，第七球面透镜131和第八球面透镜132胶合而成一个双胶合透镜，双胶合透镜的外侧轮廓为两侧背向光阑弯曲厚弯月透镜。胶合透镜具有消色差功能，正透镜为低折射率(Nd≤1.50)高阿贝数(Vd≥60)材质，负透镜为较高折射率(Nd≥1.75)低阿贝数(Vd≤28)材质。由于该实施例具有较大的放大倍率，因而垂轴色差的校正显得十分突出。在非对称的系统中，有效校正色差的一种方式是在镜头不同的位置，间隔地放置胶合透镜，及时校正色差，以免不同波长的光线进行远距离传播时，滋生出复杂的高阶色差。
第九球面透镜133为弯向光阑的正弯月透镜，起到调整光线走向以及角度的作用。
第三非球面透镜134靠近反射镜组。第三非球面透镜134的主要作用是将各个视场的光束会聚成不同位置的实像点，与反射镜组140配合，对镜头的场曲和畸变进行校正。
上述设计例的光学参数值显示如下表1，且上述非球面曲线的方程如下：
Figure BDA0003040290720000081
公式中，c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位与透镜长度单位相同，k为圆锥系数。r2～r16分别表示各径向坐标所对应的系数。
图5(a)和图5(b)分别为在20℃下，100英寸和171英寸投影画面时，屏幕处的垂轴色差图。垂轴色差描述的是各个视场位置的不同光波的主光线在像面处高度方向上的差值，这个差异越小说明该系统的色差越小，成像质量越好。100英寸投影画面尺寸时，像素大小为1157um，171英寸投影画面尺寸时，像素大小为1970um。在各个物面高度上，可以看到每一处位置的横向色差不超过0.6像素，具有低横向色差的特征。
图6(a)和图6(b)分别为在20℃下，100英寸和171英寸投影画面时，屏幕处的横向光扇图。横坐标表示归一化入瞳，纵坐标是光线在像面偏离主光线的值。其横轴为图6(a)的比例尺为±1000um，图6(b)的比例尺为±2000um。由横向光扇图可以看出，小孔径和中等孔径的曲线比较靠近横轴，成像质量良好，边缘孔径光线较为发散，这在一定程度上可以柔和芯片像素与像素之间的拼接缝隙，降低观影时的颗粒感。
图7(a)和图7(b)分别为，在100英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的MTF图。100英寸投影画面下，MTF观察线对为0.43lp/mm。MTF图，代表光学系统的综合解析能力，图中横轴表示空间频率，单位：圈数每毫米(cycles/mm)。纵轴表示调制传递函数(MTF)的数值，所述MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0～1，MTF曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强，各个视场的曲线重合程度越好，像质的一致性就越好。从图7(a)和图7(b)可以看出，环境温度20℃时，可见光波段在空间频率为0.43lp/mm时，全视场的MTF>0.48，即使环境温度上升到60℃时，MTF也仅是边缘视场下降到0.4，其他视场区域像质良好。
图8(a)和图8(b)分别为，在171英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的MTF图。171英寸投影画面下，MTF观察线对为0.255lp/mm。从图8(a)和图8(b)可以看出，环境温度20℃时，可见光波段在空间频率为0.255lp/mm时，全视场的MT≥0.5，即使环境温度上升到60℃时，MTF像质依然保持良好。
实施例1
本发明的实施例1，参考图1，适用于0.47英寸DMD，投射比TR＝0.18，偏移量OFFSET＝125％，F#＝2.4的超短焦投影镜头的实际设计参数如表1～表3所示。
实施例2
本发明的实施例2，参考图9，为满足本发明专利权利要求书的更为简洁的一种架构，适用于0.3英寸DMD，投射比TR＝0.4，偏移量OFFSET＝130％，F#＝1.7的超短焦投影镜头的实际设计参数如表4～表6所示。其像质可以达到与实施例1类似效果。
表1：
Figure BDA0003040290720000091
Figure BDA0003040290720000101
表2：
非球面系数 S7 S8 S20 S21
r4 -5.0143852E-05 3.8164144E-05 -7.3861448E-05 -5.7386657E-05
r6 1.3898347E-09 -1.0364174E-07 -2.9802540E-09 8.0900496E-08
r8 -1.0227385E-10 5.7166060E-10 -1.0088907E-10 -1.0934655E-10
r10 -4.0201671E-22 4.9164189E-14 -1.1134553E-18 2.2896533E-15
表3：
非球面系数 S27 S28 S29
r4 4.7724810E-05 9.6123371E-06 -2.2861315E-06
r6 -6.2805120E-08 -8.4802821E-09 9.1098738E-11
r8 5.0043238E-11 -1.1908980E-11 5.7678783E-14
r10 -2.5273935E-14 5.7659030E-15 -2.8454537E-17
表4：
表面 类型 曲率半径 厚度 玻璃 圆锥系数
OBJ 球面 无限 0.303 0
S1 球面 无限 1.1 H-K51 0
S2 球面 无限 0.6 0
S3 球面 无限 13 H-LAK7A 0
S4 球面 无限 1.5 0
S5 偶次非球面 12.865302 9.5 H-QK3L -1.556515
S6 偶次非球面 -15.80472 0.1 -5.640829
S7 球面 12.79636 4.531308 H-FK61 0
S8 球面 -19.82464 1.2 H-ZF52 0
S9 球面 31.85361 4.609023 0
STO 球面 无限 0.1 0
S11 球面 25.77469 2.7 H-ZF13 0
S12 球面 -10.27032 1 H-ZLAF4LA 0
S13 球面 -134.9472 13.05257 0
S14 偶次非球面 22.76945 3.5 F52R -8.082251
S15 偶次非球面 36.48187 2.312721 -29.17093
S16 球面 504.5591 5.076678 H-ZF52 0
S17 球面 35.83952 9.5 H-ZLAF4LA 0
S18 球面 -49.81599 1.5 0
S19 偶次非球面 -18.80889 2.5 F52R -0.9306777
S20 偶次非球面 69.45264 57.61739 0.84489
S21 偶次非球面 -35.13473 -200 MIRROR -1.042357
IMA 球面 无限 0
表5：
非球面系数 S5 S6 S14 S15
r4 -6.0906562E-05 -8.0395143E-05 -1.3081080E-04 -5.9205310E-05
r6 4.6878856E-07 2.5715833E-07 -2.4015660E-07 -2.5296667E-08
r8 -5.4316495E-09 8.1678948E-10 -1.8230937E-09 -3.0059567E-09
r10 -1.7623393E-11 -5.4565674E-11 -2.6322317E-11 1.2052907E-11
表6：
Figure BDA0003040290720000111
Figure BDA0003040290720000121
最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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)

1.一种大视场高亮度的超短焦投影镜头，其特征在于：包括折射镜组以及反射镜组，其中折射镜组包括：
至少含有一个非球面透镜且第一透镜为非球面透镜的第一透镜组；
只包含一个接近于零光焦度的非球面透镜的第二透镜组；
以及至少包含一个非球面透镜和至少一个胶合透镜的第三透镜组；
反射镜组包括一片非球面反射镜。
2.根据权利要求1所述的一种大视场高亮度的超短焦投影镜头，其特征在于：第二透镜组可沿轴向前后移动；
第三透镜组的非球面透镜靠近反射镜组；
第三透镜组的胶合透镜靠近第二透镜组。
3.根据权利要求1所述的一种大视场高亮度的超短焦投影镜头，其特征在于：第一透镜组中至少含有一个胶合透镜，其中一个胶合透镜中的负透镜为高折射率（Nd≥1.84）低阿贝数（Vd≤34）材质，正透镜为低折射率（Nd≤1.50）高阿贝数（Vd≥70）材质；
第二透镜组的弱光焦度非球面透镜的光焦度接近于零，光焦度绝对值在0～0.01范围内；
第三透镜组的胶合透镜中的正透镜阿贝数Vd大于负透镜。
4.根据权利要求2所述的一种大视场高亮度的超短焦投影镜头，其特征在于：第一透镜组中非球面透镜至少有一个表面是凸面，并且光阑孔位于第一透镜组；
第二透镜组中非球面透镜相比于第一透镜组，更靠近于第三透镜组。
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