CN113126253B - 一种高分辨率、直射式短焦投影镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于投影机的高分辨率、直射式短焦投影镜头，包括介于光阀(DMD、LCOS或LCD)和投影面之间的若干个同轴排布透镜组，从放大端(投影面)至缩小端(光阀)依次包括第一透负透镜组，第二正透镜组、第三正透镜组、第四正透镜组。所述镜头支持的最大成像靶面为21mm(缩小端半像高为10.5mm)，若选用0.66英寸DMD芯片为投影光阀，原始分辨率为2716×1528，单像素大小为5.4μm，特征频率为93lp/mm,光阀相对光轴偏置放置时，偏置放置距离最大可支持到3.88mm。本发明在保证足够的后截距及光阀端远心成像的前提下，经过材料选型和设计优化，提供了一款焦距为8.125mm，畸变小于1％，MTF传函在93lp/mm处大于0.5的高分变率、直射式短焦投影镜头。

Description

一种高分辨率、直射式短焦投影镜头
技术领域
本发明涉及投影机领域，具体涉及一种高分辨率、直射式短焦投影镜头。
背景技术
普通的投影机镜头为标准镜头，适合大多数用户使用，而在实际的应用当中，想要在狭小的空间要获取大画面，需选用配有短焦投影镜头的投影机，即投影机镜头的投射比越小越好，一般小型商业场所或家庭娱乐场所的空间狭窄，普通的投影机镜头无法适用于此类场景；
而且，当投影机作为前方投影使用时，即观看者、投影机位于投影屏幕的同一侧，为了不遮挡人的观看视线，要求镜头具有较大的偏置率。目前市面上的投影镜头多为中长焦投影镜头或超短焦投影镜头，其中中长焦投影镜头的偏置率一般均低于80％，而超短焦投影镜头的偏置率可达到130％以上，但采用反光碗技术的超短焦投影镜头由于视场较大，所以镜头的畸变较大，残余像差较大，成本较为昂贵，且支撑的亮度较低，很少适用于高亮的商显投影市场。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种高分辨率、直射式短焦投影镜头，通过对镜头各镜片的光焦度进行合理分配，合理使用镜片材料以保证该投影镜头符合大视场、高分辨率、耐高亮度的工程投影机要求。
本发明的目的是采用下述方案实现的：一种高分辨率、直射式短焦投影镜头，短焦投影镜头从放大端至缩小端依次包括第一透镜组，第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组，第一、第二、第三、第四透镜组均固定设置，不能移动，所述第一透镜组的光焦度小于0，所述第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组的光焦度均大于0，且各个透镜组满足下列条件：
1.90＜|F1/Fall|＜1.95
7.15＜|F2/Fall|＜7.43
10.0＜|F3/Fall|＜11.0
4.50＜|F4/Fall|＜4.67
式中，F1为第一透镜组的有效焦距，F2为第二透镜组的有效焦距，F3为第三透镜组的有效焦距，F4为第四透镜组的有效焦距，Fall为短焦投影镜头的有效焦距。
所述第一透镜组从放大端到缩小端依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，其中各透镜的光焦度均小于0；所述第二透镜组从放大端到缩小端依次包括第五透镜、第六透镜，所述第五透镜、第六透镜的光焦度均大于0；所述第三透镜组从放大端到缩小端依次包括第七透镜、第八透镜、第九透镜及第十透镜，所述第七透镜、第九透镜的光焦度均小于0，所述第八透镜、第十透镜的光焦度均大于0，所述第四透镜组从放大端到缩小端依次包括第十一透镜、第十二透镜及第十三透镜，所述第十一透镜的光焦度小于0，所述第十二透镜及第十三透镜的光焦度均大于0。
所述第八透镜、第九透镜、第十透镜组成胶合透镜。
所述各透镜组的透镜采用的材质的光学常数满足以下条件：
1.48＜Ndall＜1.85
33.0＜Vdall＜81.6
式中，Ndall为透镜材质对波长为588nm的d光的折射率，Vdall为透镜材质的阿贝数。
所述第一透镜组的第一透镜采用的材质为树脂材质，所述第一透镜组的其余透镜和第二、第三、第四透镜组的各透镜均为玻璃材质。
所述第一透镜、第十一透镜、第十三透镜为非球面镜片，其余透镜均为球面镜片。
所述第二透镜组、第三透镜组之间设有一孔径光阑，用于修正彗差，且限制轴外光线进入第三透镜组。
短焦投影镜头所支持的成像靶面大于21mm，(缩小端半像高为10.5mm)，若选用0.66英寸DMD芯片为投影光阀，原始分辨率为2716×1528，单像素大小为5.4μm，特征频率为93lp/mm,光阀相对光轴偏置放置时，偏置放置距离最大可支持到3.88mm。
本发明包含如下有益效果：短焦投影镜头从放大端至缩小端依次包括第一透镜组，第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组，第一、第二、第三、第四透镜组均固定设置，不能移动，所述第一透镜组的光焦度小于0，所述第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组的光焦度均大于0，且各个透镜组满足下列条件：
1.90＜|F1/Fall|＜1.95
7.15＜|F2/Fall|＜7.43
10.0＜|F3/Fall|＜11.0
4.50＜|F4/Fall|＜4.67
式中，F1为第一透镜组的有效焦距，F2为第二透镜组的有效焦距，F3为第三透镜组的有效焦距，F4为第四透镜组的有效焦距，Fall为短焦投影镜头的有效焦距，此光焦度分配下有利于轴外光线的平滑过渡，有利于镜头的像差控制。
所述第一透镜组从放大端到缩小端依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，其中各透镜的光焦度均小于0；所述第二透镜组从放大端到缩小端依次包括第五透镜、第六透镜，所述第五透镜、第六透镜的光焦度均大于0；所述第三透镜组从放大端到缩小端依次包括第七透镜、第八透镜、第九透镜及第十透镜，所述第七透镜、第九透镜的光焦度均小于0，所述第八透镜、第十透镜的光焦度均大于0，所述第四透镜组从放大端到缩小端依次包括第十一透镜、第十二透镜及第十三透镜，所述第十一透镜的光焦度小于0，所述第十二透镜及第十三透镜的光焦度均大于0。
所述第八透镜、第九透镜、第十透镜组成胶合透镜，以便更好的消色差。
所述各透镜组的透镜采用的材质的光学常数满足以下条件：
1.48＜Ndall＜1.85
33.0＜Vdall＜81.6
式中，Ndall为透镜材质对波长为588nm的d光的折射率，Vdall为透镜材质的阿贝数。
所述第一透镜组的第一透镜采用的材质为树脂材质，该透镜口径较大，带有非球面，投影光场经过该透镜的能量密度场较低，选用树脂材料更有利于镜头像差校正和生产制造，所述第一透镜组的其余透镜和第二、第三、第四透镜组的各透镜均为玻璃材质，可有效减小温度变化对镜头失焦的影响，满足高亮工程投影机的使用要求。
所述第一透镜、第十一透镜、第十三透镜为非球面镜片，其余透镜均为球面镜片，以便更好的校正球差、场曲和畸变，使本发明具有较宽松的装配公差，更有利于镜头制造。
所述第二透镜组、第三透镜组之间设有一孔径光阑，用于修正彗差，且限制轴外光线进入第三透镜组，可以更好的控制轴外视场的像斑。
所述短焦投影镜头支持的最大成像靶面为21mm(缩小端半像高为10.5mm)，若选用0.66英寸DMD芯片为投影光阀，原始分辨率为2716×1528，单像素大小为5.4μm，特征频率为93lp/mm,光阀相对光轴偏置放置时，偏置放置距离最大可支持到3.88m。
在上述条件式内对该直射式短焦投影镜头各镜片的光焦度进行合理分配，合理使用光学材质，以保证该镜头满足高亮工程投影机短距离投射、高分辨率显示的需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的轴向球差分布曲线；
图3为本发明的垂轴色差分布曲线；
图4为本发明的场曲和畸变曲线；
图5为本发明的相对照度曲线；
图6为本发明的MTF传函曲线。
具体实施方式
如图1至图6所示，一种高分辨率、直射式短焦投影镜头，短焦投影镜头所支持的成像靶面大于21mm(缩小端半像高为10.5mm)，本实施例中，短焦投影镜头从放大端至缩小端依次包括第一透镜组10，第二透镜组20、第三透镜组40、第四透镜组50，第一、第二、第三、第四透镜组均固定设置，不能移动，所述第二透镜组20、第三透镜组40之间设有一孔径光阑31，用于修正彗差，且限制轴外光线的杂光进入第三透镜组40，可以更好的控制轴外视场的像斑。所述第一透镜组10的光焦度小于0，所述第二透镜组20、第三透镜组40、第四透镜组50的光焦度均大于0，且各个透镜组满足下列条件：
1.90＜|F1/Fall|＜1.95
7.15＜|F2/Fall|＜7.43
10.0＜|F3/Fall|＜11.0
4.50＜|F4/Fall|＜4.67
式中，F1为第一透镜组10的有效焦距，F2为第二透镜组20的有效焦距，F3为第三透镜组40的有效焦距，F4为第四透镜组50的有效焦距，Fall为短焦投影镜头的有效焦距，此光焦度分配下有利于轴外光线的平滑过渡，有利于镜头的像差控制。
所述第一透镜组10从放大端到缩小端依次包括第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13以及第四透镜14，其中各透镜的光焦度均小于0；所述第二透镜组20从放大端到缩小端依次包括第五透镜21、第六透镜22，所述第五透镜21、第六透镜22的光焦度均大于0；所述第三透镜组40从放大端到缩小端依次包括第七透镜41、第八透镜42、第九透镜43及第十透镜44，所述第七透镜41、第九透镜43的光焦度均小于0，所述第八透镜42、第十透镜44的光焦度均大于0，所述第四透镜组50从放大端到缩小端依次包括第十一透镜51、第十二透镜52及第十三透镜53，所述第十一透镜51的光焦度小于0，所述第十二透镜52及第十三透镜53的光焦度均大于0。
所述第八透镜42、第九透镜43、第十透镜44组成胶合透镜，以便更好的消色差。
所述各透镜组的透镜采用的材质的光学常数满足以下条件：
1.48＜Ndall＜1.85
33.0＜Vdall＜81.6
式中，Ndall为透镜材质对波长为588nm的d光的折射率，Vdall为透镜材质的阿贝数。
所述第一透镜组10的第一透镜11采用的材质为树脂材质，该透镜口径较大，带有非球面，投影光场经过该透镜的能量密度场较低，选用树脂材料更有利于镜头像差校正和生产制造，所述第一透镜组10的其余透镜和第二、第三、第四透镜组的各透镜均为玻璃材质，可有效减小温度变化对镜头失焦的影响，满足高亮工程投影机的使用要求。
所述第一透镜11、第十一透镜51、第十三透镜53为非球面镜片，其余透镜均为球面镜片，以便更好的校正球差、场曲和畸变，使本发明具有较宽松的装配公差，更有利于镜头制造。
在非球面镜片中，以透镜表面中心为原点，光轴为x轴，透镜表面的非球面面型表达式为：
Figure GDA0003531953880000071
其中，R为镜面表面中心的曲率半径,
Figure GDA0003531953880000072
为从光轴到透镜表面的高度，k是二次曲面系数，Ai为第i阶的非球面面型系数。
本实施例中，本发明的各个光学元件满足下列表1、表2的条件。
表1、表2中各参数的含义如下：
Fall:短焦投影镜头的有效焦距；
F#:镜头F数；
K:非球面面型的K二次曲面系数；
A4：第4阶非球面面型系数；
A6：第6阶非球面面型系数；
A8：第8阶非球面面型系数；
A10：第10阶非球面面型系数；A12：第12阶非球面面型系数；A14：第14阶非球面面型系数。
表1
Figure GDA0003531953880000081
Figure GDA0003531953880000091
表2
Figure GDA0003531953880000092
本实施例中，本发明应用于高亮工程投影机，若选用0.66英寸DMD芯片为投影光阀，原始分辨率为2716×1528，单像素大小为5.4μm，特征频率为93lp/mm,光阀相对光轴偏置放置时，偏置放置距离最大可支持到3.88m。该短焦投影镜头的缩小端位于棱镜61的一端，棱镜61的另一端与成像面63之间设置平板玻璃62，在高亮工程投影机投影时，光阀(DMD、LCOS或者LCD)调制的投影信号光从成像面63投射而出，首先依次经过平板玻璃62和棱镜61后，再进入本发明所述的短焦投影镜头中，依次经第四透镜组50、第三透镜组40、孔径光阑31、第二透镜组20及第一透镜组10，投射于屏幕(未图示)上便可得到投影画面。所述平板玻璃62可以根据使用需要，镀不同功能的膜层，例如滤光膜、增透膜等。
本发明对可见光(486nm-656nm)产生的球差被控制在-0.03mm～0.03mm的区间内；垂轴色差被控制在-2.5μm～2.5μm之间；子午场曲值及弧矢场曲值被控制在-0.05mm～0.05mm间，而畸变量被控制在-1％～1％间。全视场下的相对照度均大于88％；在93lp/mm处的传函值全视场均大于0.5。
综上所述，在保证足够的后焦距及DMD端远心成像的前提下，本发明产生的球差、场曲(即Field curvature)、畸变(即Distortion)及垂轴色差(即Lateral color)被控制在较小的范围内，可以保证投影镜头的优良的成像特性，满足大视场短焦投影及高清投影的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神的前提提下，对本发明进行的改动均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种直射式短焦投影镜头，短焦投影镜头从放大端至缩小端依次由第一透镜组(10)，第二透镜组(20)、第三透镜组(40)、第四透镜组(50)组成，第一、第二、第三、第四透镜组均固定设置，不能移动，其特征在于，所述第一透镜组(10)的光焦度小于0，所述第二透镜组(20)、第三透镜组(40)、第四透镜组(50)的光焦度均大于0，且各个透镜组满足下列条件：
1.90＜|F1/Fall|＜1.95
7.15＜|F2/Fall|＜7.43
10.0＜|F3/Fall|＜11.0
4.50＜|F4/Fall|＜4.67
式中，F1为第一透镜组(10)的有效焦距，F2为第二透镜组(20)的有效焦距，F3为第三透镜组(40)的有效焦距，F4为第四透镜组(50)的有效焦距，Fall为短焦投影镜头的有效焦距；
所述第一透镜组(10)从放大端到缩小端依次由第一透镜(11)、第二透镜(12)、第三透镜(13)以及第四透镜(14)组成，其中各透镜的光焦度均小于0；所述第二透镜组(20)从放大端到缩小端依次由第五透镜(21)、第六透镜(22)组成，所述第五透镜(21)、第六透镜(22)的光焦度均大于0；所述第三透镜组(40)从放大端到缩小端依次由第七透镜(41)、第八透镜(42)、第九透镜(43)及第十透镜(44)组成，所述第七透镜(41)、第九透镜(43)的光焦度均小于0，所述第八透镜(42)、第十透镜(44)的光焦度均大于0，所述第四透镜组(50)从放大端到缩小端依次由第十一透镜(51)、第十二透镜(52)及第十三透镜(53)组成，所述第十一透镜(51)的光焦度小于0，所述第十二透镜(52)及第十三透镜(53)的光焦度均大于0。
2.根据权利要求1所述的直射式短焦投影镜头，其特征在于：所述第八透镜(42)、第九透镜(43)、第十透镜(44)组成胶合透镜。
3.根据权利要求1所述的直射式短焦投影镜头，其特征在于：所述各透镜组的透镜采用的材质的光学常数满足以下条件：
1.48＜Ndall＜1.85
33.0＜Vdall＜81.6
式中，Ndall为透镜材质对波长为588nm的d光的折射率，Vdall为透镜材质的阿贝数。
4.根据权利要求1所述的直射式短焦投影镜头，其特征在于：所述第一透镜组(10)的第一透镜(11)采用的材质为树脂材质，所述第一透镜组(10)的其余透镜和第二、第三、第四透镜组的各透镜均为玻璃材质。
5.根据权利要求1所述的直射式短焦投影镜头，其特征在于：所述第一透镜(11)、第十一透镜(51)、第十三透镜(53)为非球面镜片，其余透镜均为球面镜片。
6.根据权利要求1所述的直射式短焦投影镜头，其特征在于：所述第二透镜组(20)、第三透镜组(40)之间设有一孔径光阑(31)，用于修正彗差，且限制轴外光线进入第三透镜组(40)。
7.根据权利要求1所述的直射式短焦投影镜头，其特征在于：短焦投影镜头所支持的成像靶面大于21mm。
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