CN113311565A - 一种广角超短焦投影镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种广角超短焦投影镜头，包括折射镜组和反射镜组，其中折射镜组包括：不包含非球面透镜但同时包含若干球面单透镜和至少一个胶合透镜的第一透镜组，至少包含一个非球面透镜的第二透镜组，至少包含一个非球面透镜的第三透镜组。本专利具有幅面大、非球面透镜少的优点。

Description

一种广角超短焦投影镜头
技术领域
本发明涉及投影镜头技术领域，具体为一种广角超短焦投影镜头。
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主要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，开模成本高，项目启动风险大。
专利CN107664823A是一种较佳的镜头架构，但使用了4个非球面透镜，开模成本高，项目启动风险大。
目前市面上还没有一款超短焦镜头可以使用更少的非球面透镜来实现0.21的投射比。
本发明专利正是基于以上缺点而开发的。
发明内容
为了达到节省非球面透镜的目的，本发明专利通过四个镜组，利用单透镜、胶合透镜、非球面透镜和反射镜进行光焦度的合理分配以及像差的校正，以及，通过减小光线在调焦组镜片表面上的入射角方式，使得该投影镜头在满足工艺性的基础上适应不同的投影距离。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种广角超短焦投影镜头，包括折射镜组以及反射镜组，其中折射镜组包括：
不包含非球面透镜但同时包含若干单透镜和至少一个胶合透镜的第一透镜组；
至少包含一个非球面透镜的第二透镜组；
至少包含一个非球面透镜的第三透镜组；
反射镜组包括一片非球面反射镜。
优选的，第一透镜组中靠近芯片侧至少连续使用两个光焦度为正的球面单透镜；
第一透镜组中光阑孔两侧各包含一个胶合透镜；
第二透镜组由单个弱光焦度非球面透镜组成，空间距离上更靠近第三透镜组；
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。
优选的，第一透镜组的靠近芯片侧连续排列的3个单正透镜均具有较高的阿贝数(Vd≥55)；
第一透镜组光阑孔左侧的胶合透镜中负透镜为高折射率(Nd≥1.9)低阿贝数(Vd≤32)材质，正透镜为低折射率(Nd≤1.6)高阿贝数(Vd≥60)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，且为负，光焦度在-0.0001～0的范围内；
第三透镜组的胶合透镜为双胶合透镜，并靠近第二透镜组，双胶合透镜正透镜的阿贝数大于负透镜，折射率小于负透镜。
优选的，第一透镜组中两个胶合透镜的胶合面，一个弯向光阑孔，一个背向光阑孔；
第一透镜组中光阑孔右侧，单透镜与胶合透镜之间形成曲率半径相近的弯月空气间隔；
第三透镜组中双胶合透镜的外侧轮廓为两侧凸起的鼓型透镜。
优选的，由物侧至像侧顺序，所述第一透镜组包括：第一球面透镜、第二球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜、第五球面透镜、光阑孔、第六球面透镜、第七球面透镜、第八球面透镜，其中第四球面透镜和第五球面透镜胶合成第一胶合透镜，第七球面透镜和第八球面透镜胶合成第二胶合透镜。
优选的，由物侧至像侧顺序，所述第二透镜组包括：第一非球面透镜。
优选的，由物侧至像侧顺序，所述第三透镜组包括：由第九球面透镜和第十球面透镜胶合而成的第三胶合透镜和第二非球面透镜。
本发明的有益效果为：
1、仅使用2片非球面透镜，生产及组装良率高；
2、本专利第一透镜组主要由三部分组成，按物侧至像侧顺序，第一部分由三个正透镜组成，使用透镜分裂的方式分担光焦度，降低每个透镜的球差和高级像差，同时降低了公差敏感性，提升良率，第二部分由单个胶合透镜承担第一透镜组的主要的色差校正任务，第三部分则由一个单透镜和一个胶合透镜组成，通过调整透镜表面曲率、胶合面曲率以及胶合面两侧的折射率和色散，可以对球差、彗差、像散以及色差等像差进行良好的校正，与专利CN211554449U相比，通过透镜光焦度的合理分配，节省了第一透镜组的两个非球面透镜，提高了生产和组装良率。
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，86英寸和157英寸投影画面时，屏幕处的垂轴色差图，86英寸投影画面尺寸时，像素大小为992um，157英寸投影画面尺寸时，像素大小为1815um；
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，86英寸和157英寸投影画面时，屏幕处的光线像差图，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86英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的MTF图。86英寸投影画面下，MTF观察线对为0.51lp/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157英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的MTF图。156英寸投影画面下，MTF观察线对为0.28lp/mm；
主要组件符号说明：
Figure BDA0003039746290000041
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。
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104，且该投影镜头100包括芯片101，芯片保护玻璃102、等效棱镜103、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，依次包含第一球面透镜111，第二球面透镜112、第三球面透镜113、第四球面透镜114、第五球面透镜115、光阑孔116、第六球面透镜117、第七球面透镜118以及第八球面透镜119；第二透镜组120依光线传播之先后顺序，仅包含第一非球面透镜121；第三透镜组130依光线传播之先后顺序，依次包含第九球面透镜131、第十球面透镜132、以及第二非球面透镜133；反射镜组140仅包含一个非球面反射镜。
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，第一球面透镜111、第二球面透镜112以及第三球面透镜113均为正透镜，这三个正透镜具有较高的阿贝数(Vd≥55)，第一球面透镜111和第二球面透镜112为双凸透镜，第三球面透镜113则为弯月透镜。
由第四球面透镜114和第五球面透镜115胶合而成的第一胶合透镜以及由第七球面透镜118和第八球面透镜119胶合而成的第二胶合透镜分别位于在光阑孔两侧，第一个胶合透镜的胶合面弯向光阑，第二个胶合透镜的胶合面背向光阑。
第六球面透镜116与第二胶合透镜的负透镜118之间形成曲率半径相近的弯月空气间隔。
在第一透镜组中，第一球面透镜111、第二球面透镜112以及第三球面透镜113承担了第一透镜组主要的光焦度，连续使用3个正光焦度透镜来分担光焦度，使得每个透镜承担的光线偏折角较小，不易产生高级像差，组装公差良好，同时，由于单个透镜光焦度不高，可以自由灵活地选择低折射率高阿贝数的材质以减少色差的产生。
由第四球面透镜114和第五球面透镜115胶合而成的第一胶合透镜承担了整个镜头的主要的色差校正任务，第一胶合透镜中负透镜为高折射率(Nd≥1.9)低阿贝数(Vd≤32)材质，正透镜为低折射率(Nd≤1.6)高阿贝数(Vd≥60)材质，参数选择满足色差校正原则，同时，胶合透镜位于光阑附近，各视场光束比较平缓，光线高度较为一致，有利于对各个视场进行等量的色差校正。
近乎同心的弯月透镜可以针对球差进行有利的校正并扩大相对孔径，但是由于难以定心而不能得到良好的应用，第一透镜组中则巧妙地利用第六球面透镜116与第二胶合透镜的负透镜118构建出曲率半径相近的弯月空气间隔来替代，具有相同功效的同时也提升避免了使用良率不高的同心弯月透镜。
由第七球面透镜118和第八球面透镜119胶合而成的第二胶合透镜通过胶合的方式降低了正负单透镜的组装公差，并利用背向光阑的胶合面，对系统的球差和像散进行补偿。
第一透镜组利用单透镜、胶合透镜以及弯月空气透镜的有机组合，合理地分散了光焦度，有效地降低了高级像差，校正了球差、像散等单色像差以及色差，减少了非球面透镜的使用。
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，光焦度在-0.0001～0的范围内，并且靠近第三透镜组；第二透镜组120可在不同的投影距离下，通过沿光轴105移动，实现投影画面的清晰聚焦；第二非球面透镜121的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，第九球面透镜131以及第十球面透镜132胶合而成第三胶合透镜，第三胶合透镜的外侧轮廓为两侧凸起的鼓型透镜。双胶合透镜中球面正透镜131的阿贝数大于球面负透镜132，折射率小于球面负透镜132，符合色差校正要求。
第三透镜组中利用第三胶合透镜校正色差和球差，非球面透镜校正彗差和像散等单色像差，形成一个对内可以单独校正单色和多色像差，对外可以提供补偿像差的有机系统。
第二非球面透镜133靠近反射镜组，还可以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 BDA0003039746290000071
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，86英寸和157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。86英寸投影画面尺寸时，像素大小为992um，156英寸投影画面尺寸时，像素大小为1815um。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0.5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，86英寸和157英寸投影画面时，屏幕处的光线像差图。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。由光线像差图可以看出，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86英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的MTF图。86英寸投影画面下，MTF观察线对为0.51lp/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℃和60℃时，可见光波段在空间频率为0.51lp/mm时，全视场的MTF≥0.45，像质良好。
图8(a)和图8(b)分别为，在157英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的MTF图。157英寸投影画面下，MTF观察线对为0.28lp/mm。从图8(a)和图8(b)可以看出，环境温度20℃和60℃时，可见光波段在空间频率为0.28lp/mm时，全视场的MTF≥0.5，像质良好。
以下案例为适用于0.47英寸DMD，投射比TR＝0.20，偏移量OFFSET＝125％，F#＝2.4的超短焦投影镜头。其实际设计参数参考表1～表2。
表1：
Figure BDA0003039746290000081
Figure BDA0003039746290000091
表2：
Figure BDA0003039746290000092
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 (7)

1.一种广角超短焦投影镜头，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：
不包含非球面透镜但同时包含若干单透镜和至少一个胶合透镜的第一透镜组；
至少包含一个非球面透镜的第二透镜组；
至少包含一个非球面透镜的第三透镜组；
反射镜组包括一片非球面反射镜。
2.根据权利要求1所述的一种广角超短焦投影镜头，其特征在于：第一透镜组中靠近芯片侧至少连续使用两个光焦度为正的球面单透镜；
第一透镜组中光阑孔两侧各包含一个胶合透镜；
第二透镜组由单个弱光焦度非球面透镜组成，空间距离上更靠近第三透镜组；
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。
3.根据权利要求2所述的一种广角超短焦投影镜头，其特征在于：第一透镜组的靠近芯片侧连续排列的3个单正透镜均具有较高的阿贝数（Vd≥55）；
第一透镜组光阑孔左侧的胶合透镜中负透镜为高折射率（Nd≥1.9）低阿贝数（Vd≤32）材质，正透镜为低折射率（Nd≤1.6）高阿贝数（Vd≥60）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，且为负，光焦度在-0.0001～0的范围内；
第三透镜组的胶合透镜为双胶合透镜，并靠近第二透镜组，双胶合透镜正透镜的阿贝数大于负透镜，折射率小于负透镜。
4.根据权利要求3所述的一种广角超短焦投影镜头，其特征在于：第一透镜组中两个胶合透镜的胶合面，一个弯向光阑孔，一个背向光阑孔；
第一透镜组中光阑孔右侧，单透镜与胶合透镜之间形成曲率半径相近的弯月空气间隔；
第三透镜组中双胶合透镜的外侧轮廓为两侧凸起的鼓型透镜。
5.根据权利要求1～4所述的一种广角超短焦投影镜头，其特征在于：由物侧至像侧顺序，所述第一透镜组包括：第一球面透镜、第二球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜、第五球面透镜、光阑孔、第六球面透镜、第七球面透镜、第八球面透镜，其中第四球面透镜和第五球面透镜胶合成第一胶合透镜，第七球面透镜和第八球面透镜胶合成第二胶合透镜。
6.根据权利要求1～4所述的一种广角超短焦投影镜头，其特征在于：由物侧至像侧顺序，所述第二透镜组包括：第一非球面透镜。
7.根据权利要求1～4所述的一种广角超短焦投影镜头，其特征在于：由物侧至像侧顺序，所述第三透镜组包括：由第九球面透镜和第十球面透镜胶合而成的第三胶合透镜和第二非球面透镜。
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