CN113253414A - 一种投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影光学系统，第一透镜组用于调焦，第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组用于变焦，光阑位于第三透镜组和第四透镜组之间。第一透镜组的第一透镜其至少一表面为非球面。有利于提高光学系统视场角并且较好地校正轴外像差和畸变。第四透镜组包括的第五透镜至少一表面为非球面，在光阑后配置非球面透镜，能够良好地校正光学系统像差提升MTF性能。本投影光学系统通过优化设计各透镜组的透镜数量、各透镜面形以及透镜各项光学参数，能够满足大光圈口径、结构简单小型化以及低成本的要求，并且可以有效地改善系统的像差和抑制系统畸变发生。

Description

一种投影光学系统

技术领域

本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种投影光学系统。

背景技术

随着市场的需求，变焦镜头可以在不改变工作距离的情况下，通过连续变焦得到不同尺寸的画面，变焦镜头将会越来越多地被受用。不同场所使用投影的需求也越来越多，如家庭影院、教室教学、会议室等等。在实际场景应用中受外界环境光的影响，不仅对成像画质提出高要求，同时对投影画面的亮度要求也越来越高。

为满足现况需求，对应用于投影的光学系统，趋向于设计更大口径的镜头以有效地获得更多的光线，可以使投影画面获得更高的亮度。目前投影镜头Fno设计值为F1.7，想要设计更大口径的镜头存在以下难点：系统轴外像差的校正与畸变的校正，同时设计高性能MTF的变焦镜头通常结构较大，使用较多的镜片数，从而镜头的结构变得复杂化及成本更高。

发明内容

本发明的目的是提供一种投影光学系统，可以有效地改善系统的像差和抑制系统畸变，能够满足系统结构简单小型化、成本低、大光圈口径的要求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种投影光学系统，包括由放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组，所述第一透镜组用于调焦，所述第二透镜组、所述第三透镜组和所述第四透镜组用于变焦，光阑位于所述第三透镜组和所述第四透镜组之间；

所述第一透镜组包括第一透镜，所述第一透镜在所述第一透镜组中最靠近放大侧，其至少一表面为非球面，所述第四透镜组包括第五透镜，所述第五透镜在所述第四透镜组中最靠近放大侧，其至少一表面为非球面。

优选的，所述第四透镜组包括第一胶合透镜，所述第一胶合透镜至少包括具有第一折射率的透镜和具有第二折射率的透镜，第一折射率大于第二折射率。

优选的，所述第三透镜组用于将光线汇聚。

优选的，所述第二透镜组包括一片具有正屈光度的第三透镜，所述第三透镜组包括一片具有正屈光度的第四透镜。

优选的，所述第四透镜组包括具有正屈光度的第五透镜、为双凹透镜的第六透镜、为双凸透镜的第七透镜和为凹凸透镜的第八透镜，所述第六透镜、所述第七透镜和所述第八透镜胶合。

优选的，所述第五透镜组包括第二胶合透镜、第十一透镜和第十二透镜，所述第十一透镜为平凸透镜或者凸透镜，所述第十二透镜为平凸透镜或者凸透镜，或者所述第五透镜组包括第二胶合透镜和至少一表面为非球面的透镜。

优选的，所述光阑可随所述第四透镜组沿着光轴移动且与所述第四透镜组的相对位置固定。

优选的，所述投影光学系统从广角端到长焦端变化过程中，所述第二透镜组向缩小侧移动，所述第三透镜组、所述第四透镜组向放大侧移动。

优选的，满足以下条件式：FNOw≤1.45，FNOt≤1.62，FNOt、FNOw分别表示所述投影光学系统处于长焦端、广角端的相对孔径光圈数。

优选的，满足以下条件式：EFLt/EFLw≥1.25，TAw≤1.19°，TAt≤1.77°，其中，EFLt、EFLw分别表示所述投影光学系统处于长焦端、广角端的有效焦距，TAt、Taw分别表示所述投影光学系统处于长焦端、广角端的远心角。

由上述技术方案可知，本发明所提供的投影光学系统中，第一透镜组用于调焦，第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组用于变焦，光阑位于第三透镜组和第四透镜组之间。第一透镜组的第一透镜其至少一表面为非球面。有利于提高光学系统视场角并且较好地校正轴外像差和畸变。第四透镜组包括的第五透镜至少一表面为非球面。在光阑后配置非球面透镜，能够良好地校正光学系统像差提升MTF性能。从而，本投影光学系统通过优化设计各透镜组的透镜数量、各透镜面形以及透镜各项光学参数，能够满足大光圈口径、结构简单小型化以及低成本的要求，并且可以有效地改善系统的像差和抑制系统畸变发生。

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获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种投影光学系统处于广角端的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种投影光学系统处于长焦端的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种投影光学系统，包括由放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组，所述第一透镜组用于调焦，所述第二透镜组、所述第三透镜组和所述第四透镜组用于变焦，光阑位于所述第三透镜组和所述第四透镜组之间；

所述第一透镜组包括第一透镜，所述第一透镜在所述第一透镜组中最靠近放大侧，其至少一表面为非球面，所述第四透镜组包括第五透镜，所述第五透镜在所述第四透镜组中最靠近放大侧，其至少一表面为非球面。

放大侧是指屏幕所处一侧，缩小侧是指影像源所处一侧。影像源发出光线，依次通过各个透镜组后投射到屏幕上，向屏幕上投射出图像。其中，第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组用于变焦，第一透镜组用于调焦，使得向屏幕上投射出画面清晰的图像。

第一透镜组包括的第一透镜在第一透镜组中最靠近放大侧，其至少一表面为非球面，有利于提高光学系统视场角，并且通过合理优化非球面系数，能较好地校正轴外像差和畸变，以及可以有效地保证投影光学系统的长后工作距离的要求。

第四透镜组中最靠近放大侧的第五透镜，即第五透镜与光阑相邻，其至少一表面为非球面，在光阑后配置非球面透镜，能够良好地校正光学系统像差提升MTF性能。因此，本投影光学系统能够有效地校正像差和抑制畸变，能够得到良好的成像品质，并且使得透镜使用数量减少，使得系统结构简单小型化。

因此，本实施例的投影光学系统通过优化设计各透镜组的透镜数量、各透镜面形以及透镜各项光学参数，能够满足大光圈口径、结构简单小型化以及低成本的要求，并且可以有效地改善系统的像差和抑制系统畸变发生。

优选的，第四透镜组包括第一胶合透镜，所述第一胶合透镜至少包括具有第一折射率的透镜和具有第二折射率的透镜，第一折射率大于第二折射率。通过胶合透镜进行消色差设计。另外，其中透镜可采用低色散负膨胀系数材质，能够在保证整个光学系统较小色差的同时，又可以补偿整个光学系统的温度漂移。

优选的，第三透镜组用于将光线汇聚，光阑位于第三透镜组和第四透镜组之间，第三透镜组能够将进入光线汇聚到光阑，使得能够在光学系统相同通光孔径下减小光阑尺寸，减小系统结构体积。从而本投影光学系统，能够得到较高亮度的图像画面，并且系统结构小型化。

第三透镜组可具有正屈光度，能够将光线汇聚。第三透镜组可包括凸透镜或者平凸透镜中的任意一个或者任意多个的组合。在实际应用中可以根据应用需求设计第三透镜组的结构，优选在能够达到较好成像效果的情况下第三透镜组使用较少数量透镜，有助于系统小型化。

优选的，本实施例的投影光学系统，由第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组分别沿着光轴移动实现变焦，其中，光阑可随第四透镜组沿着光轴移动，并且光阑与第四透镜组的相对位置固定。进一步优选的，本投影光学系统在变焦过程中能够维持成像面的位置不变，在不将第一透镜组沿着光轴移动即可维持成像面的位置不变，即无需调节第一透镜组就可维持投射的图像画面始终清晰。本投影光学系统在变焦过程中第五透镜组的位置不变。

优选的，本实施例的投影光学系统从广角端到长焦端变化过程中，所述第二透镜组向缩小侧移动，所述第三透镜组、所述第四透镜组向放大侧移动。投影光学系统处于广角端是指投影光学系统的各个透镜组处于使投影光学系统视场角最大的位置，投影光学系统处于长焦端是指投影光学系统的各个透镜组处于使投影光学系统有效焦距最大的位置。

优选的，本实施例的投影光学系统中光阑口径可改变，可根据应用场景调节光阑口径大小，实现动态光圈效果以适应更多应用场景。当需要高亮度时可将光圈口径调节至最大来实现，当在较暗环境下使用想要亮度暗一些时可将光圈口径适当调小。

优选的，本实施例的投影光学系统中第一透镜组和第五透镜组的屈光度依次为负、正，第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组的总屈光度为正。

请参考图1和图2，图1为本实施例提供的一种投影光学系统处于广角端的示意图，图2为本实施例提供的一种投影光学系统处于长焦端的示意图。如图所示，所述投影光学系统包括第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4和第五透镜组G5。

第一透镜组G1包括第一透镜L1和为双凹透镜的第二透镜L2，第一透镜L1为非球面透镜，其朝向放大侧和朝向缩小侧的表面可都为偶次非球面。优选第二透镜L2两表面的曲率半径相同。第一透镜L1和第二透镜L2的屈光度依次为负、负。第一透镜L1可采用树脂材质。

第二透镜组G2包括为双凸透镜的第三透镜L3，第三透镜L3的屈光度为正，优选可设计其两表面的曲率半径相同。

第三透镜组G3的屈光度为正，将其设置在光阑ST前端可以有效地汇聚光线，减小光阑开口口径。第三透镜组G3可包括第四透镜L4，第四透镜L4采用平凸透镜，这样可以导致负向畸变，可以对前面透镜组的畸变进行校正。

第四透镜组G4包括具有正屈光度的第五透镜L5、为双凹透镜的第六透镜L6、为双凸透镜的第七透镜L7和为凹凸透镜的第八透镜L8，第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8胶合，其合成焦距为负，各透镜屈光度依次为负、正、负。其中，第五透镜L5为非球面透镜，其朝向放大侧和朝向缩小侧的表面可都为偶次非球面。第六透镜L6采用高折射率材质，第七透镜L7或者第八透镜L8采用低折射率材质，优选第八透镜L8可采用低色散系数负膨胀系数材质，能够补偿光学系统的热失焦。优选的，第六透镜L6的两表面曲率半径相同。第五透镜L5可采用玻璃透镜。

第五透镜组G5包括第二胶合透镜、第十一透镜L11和第十二透镜L12，所述第十一透镜L11为平凸透镜或者凸透镜，所述第十二透镜L12为平凸透镜或者凸透镜。图1所示光学系统中第十一透镜L11和第十二透镜L12均采用平凸透镜，其屈光度都为正。或者第五透镜组G5可包括第二胶合透镜和至少一表面为非球面的透镜，采用非球面透镜能够减少镜片使用数量。

如图1所示，第二胶合透镜包括为双凹透镜的第九透镜L9和为双凸透镜的第十透镜L10，屈光度依次为负、正。优选第十透镜L10采用低色散系数负膨胀系数的材质，能够补偿光学系统的热失焦。

如图1所示的投影光学系统中，第二透镜L2、第三透镜L3和第六透镜L6的两表面曲率半径分别相同，能够降低成本以及简化生产组装工艺。第四透镜L4、第十透镜L10和第十一透镜L11分别设计其中一表面为平面，能够有效地降低镜片生产所需的模具成本。

本实施例的投影光学系统满足以下条件式：FNOw≤1.45，FNOt≤1.62，FNOt、FNOw分别表示所述投影光学系统处于长焦端、广角端的相对孔径光圈数。

本实施例的投影光学系统还满足以下条件式：EFLt/EFLw≥1.25，TAw≤1.19°，TAt≤1.77°，其中，EFLt、EFLw分别表示所述投影光学系统处于长焦端、广角端的有效焦距，TAt、Taw分别表示所述投影光学系统处于长焦端、广角端的远心角。

以及还满足以下条件式：TTLw/EFLw≤10.51，其中TTLw表示所述投影光学系统处于广角端的镜头总长，EFLw表示所述投影光学系统处于广角端的有效焦距。镜头总长定义为光学系统距离放大侧最近的透镜表面顶点至位于缩小侧的影像源像平面的距离。以及还满足以下条件式：BFL/EFLw>2.37，其中BFL表示所述投影光学系统的后焦距，EFLw表示所述投影光学系统处于广角端的有效焦距。

本投影光学系统Fno为1.45～3.34，系统远心角TA为1.19～1.77°，配合0.47寸的数字微镜元件（Digital Micromirror Device，DMD）芯片在工作距离2390mm处可以投射出228.6cm（90寸）画面，在长焦端形成对角线72寸的画面。

本投影光学系统可达到畸变小于0.3%，焦距12.56～15.704mm连续变焦，可以确保93lp/mm空间频率下具有良好的解像能力。基于光学成像原理，使用光学设计软件对各镜片曲率半径，材料，厚度，空气间隔以及非球面镜片进行反复的光学优化设计，可达到像差小，高解析度，结构简单，设计巧妙，可物造量产性高，便于批量生产。

优选的，本投影系统可偏置放置数字微镜元件芯片100，即将数字微镜元件芯片100的中心轴与镜头光轴偏离，保证在投影工作时投射出的图像画面向上偏置，实现出射光束高于投影镜头位置，投影画面不会被镜头遮挡。棱镜101用于将数字微镜元件芯片100发出光线引导入射到镜头。

优选的，所述投影光学系统还可包括与光阑相连的驱动电机，用于驱动光圈叶片以调节光圈孔径大小，以适应不同场景下工作。

本投影光学系统还可设置抖动振镜102，使得镜头能够同时获得振镜静止时数字微镜元件芯片100自身尺寸固有的分辨率和振镜工作抖动时的高分辨率。

如下表1为一具体实例的投影光学系统的详细光学数据。

表1

非球面的曲线方程式表示如下：

；

其中，z表示非球面沿光轴方向在高度r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c表示非球面顶点的曲率半径，k表示圆锥系数，

α₁～α₈分别表示二～十六阶对应的非球面系数。

如下表2为第一透镜L1的表面S1和S2、第五透镜L5的表面S10和S11的非球面系数。

表2

表3为本投影光学系统在广角端和长焦端对应的间隔：

表3

以上对本发明所提供的一种投影光学系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种投影光学系统，其特征在于，包括由放大侧至缩小侧依次设置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组，所述第一透镜组用于调焦，所述第二透镜组、所述第三透镜组和所述第四透镜组用于变焦，光阑位于所述第三透镜组和所述第四透镜组之间；

所述第一透镜组包括第一透镜，所述第一透镜在所述第一透镜组中最靠近放大侧，其至少一表面为非球面，所述第四透镜组包括第五透镜，所述第五透镜在所述第四透镜组中最靠近放大侧，其至少一表面为非球面。

2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第四透镜组包括第一胶合透镜，所述第一胶合透镜至少包括具有第一折射率的透镜和具有第二折射率的透镜，第一折射率大于第二折射率。

3.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第三透镜组用于将光线汇聚。

4.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二透镜组包括一片具有正屈光度的第三透镜，所述第三透镜组包括一片具有正屈光度的第四透镜。

5.根据权利要求1-4任一项所述的投影光学系统，其特征在于，所述第四透镜组包括具有正屈光度的第五透镜、为双凹透镜的第六透镜、为双凸透镜的第七透镜和为凹凸透镜的第八透镜，所述第六透镜、所述第七透镜和所述第八透镜胶合。

6.根据权利要求1-4任一项所述的投影光学系统，其特征在于，所述第五透镜组包括第二胶合透镜、第十一透镜和第十二透镜，所述第十一透镜为平凸透镜或者凸透镜，所述第十二透镜为平凸透镜或者凸透镜，或者所述第五透镜组包括第二胶合透镜和至少一表面为非球面的透镜。

7.根据权利要求1-4任一项所述的投影光学系统，其特征在于，所述光阑随所述第四透镜组沿着光轴移动且与所述第四透镜组的相对位置固定。

8.根据权利要求7所述的投影光学系统，其特征在于，所述投影光学系统从广角端到长焦端变化过程中，所述第二透镜组向缩小侧移动，所述第三透镜组、所述第四透镜组向放大侧移动。

9.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，满足以下条件式：FNOw≤1.45，FNOt≤1.62，FNOt、FNOw分别表示所述投影光学系统处于长焦端、广角端的相对孔径光圈数。

10.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，满足以下条件式：EFLt/EFLw≥1.25，TAw≤1.19°，TAt≤1.77°，其中，EFLt、EFLw分别表示所述投影光学系统处于长焦端、广角端的有效焦距，TAt、Taw分别表示所述投影光学系统处于长焦端、广角端的远心角。

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