CN113311566A - 一种低成本超短焦投影镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低成本超短焦投影镜头，投影镜头包括折射镜组和反射镜组，其中折射镜组包括：只含有球面透镜的第一透镜组和第二透镜组，以及至少包含一个非球面透镜的第三透镜组，本专利具有非球面透镜少、成本低的优点。

Description

一种低成本超短焦投影镜头
技术领域
本发明涉及投影镜头，具体为一种低成本超短焦投影镜头。
背景技术
近年来随着互动娱乐及家庭影院的兴起，短投影距离的超短焦镜头受到市场的青睐。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，镜头启动成本高，公差敏感。
专利CN107490844A是一种较佳的镜头架构，但使用了3个非球面透镜，开模成本高，项目启动风险大。调焦组靠近反射镜组，为避免挡光，需要进行切边处理，导致调焦过程中定位精度下降。
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，通过用胶合透镜和单透镜组合的方式将调焦组复杂化，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。
因此，该发明提供一种低成本超短焦投影镜头，投影镜头包括折射镜组和反射镜组，其中折射镜组包括：只含有球面透镜的第一透镜组和第二透镜组，以及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。
优选地，第一透镜组中靠近芯片侧至少连续使用三个光焦度为正的球面单透镜，第一透镜组中包含光阑孔，光阑孔附近至少存在一个胶合透镜；
第二透镜组由一个胶合透镜以及一个负的单透镜组成，胶合透镜在空间距离上更靠近第一透镜组，负的单透镜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以适应不同的投影距离，第三透镜组的非球面透镜靠近反射镜组。
优选地，第一透镜组的第二球面透镜和第三球面透镜为低折射率(Nd≤1.5)高阿贝数材质(Vd≥80)，第一透镜组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≤1.65)高阿贝数(Vd≥60)材质；
第二透镜组胶合透镜的胶合面背向光阑，并且胶合面两侧的材质折射率差异在0.1以内，阿贝数差异在10以内，第三透镜组中的球面单透镜，正透镜为冕玻璃，负透镜为火石玻璃。
优选地，第一透镜组中连续使用的三个正光焦度的球面透镜中，最靠近光阑孔的单透镜为弯月透镜，第一透镜组中的胶合透镜位于光阑孔左侧，胶合面弯向光阑孔，第二透镜组中的胶合透镜的胶合面背向光阑孔，负透镜则弯向光阑孔，第三透镜组中非球面透镜至少有一个表面为反曲表面。
优选地，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，其中第四球面透镜和第五球面透镜胶合成第一胶合透镜。
优选地，由物侧至像侧顺序，所述第二透镜组包括：第七球面透镜、第八球面透镜以及第九球面透镜，其中第七球面透镜和第八球面透镜胶合成第二胶合透镜。
优选地，由物侧至像侧顺序，所述第三透镜组包括：由第十球面透镜、第十一球面透镜以及第一非球面透镜。
与现有技术相比，本专利的有益效果为：
1、仅使用1片非球面透镜，启动成本低，生产及组装良率高。
对比专利CN107490844A，将光源由LED改为激光，一方面可以提高亮度，另一方面可以增大镜头F#，降低设计难度，使得第一透镜组的球差校正任务减少，非球面透镜的取消成为可能，第一透镜组通过连续使用三个正透镜来减少高级像差，通过胶合透镜校正色差；
2、调焦组由多个球面镜片组成，轴向长度长，不切边，可保证精准的平稳调焦。
超短焦镜头在对焦过程中，大视场的像差变化快而小视场变化慢，因此调焦组在调焦过程中，需要像差在小视场和大视场处发生不同变化速率的像差补偿，由此引入一个胶合透镜和一个单负透镜，小视场光线在其小孔径处具有小的光线角度，而大视场光线在孔径边缘处则有更大的光线角度，以此针对不同的视场引入不同的像差变化量，通过胶合面以及单负透镜对球差、彗差及像散的优化平衡，可以在调焦组中节省一个非球面镜片，同时通过增加调焦组的长度，直接增加了该镜组与套筒的接触面积，提高了调焦精度。
附图说明
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，72英寸和132英寸投影画面时，屏幕处的垂轴色差图，72英寸投影画面尺寸时，像素大小为833um，132英寸投影画面尺寸时，像素大小为1529um；
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，72英寸和132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72英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的MTF图，72英寸投影画面下，MTF观察线对为0.60lp/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132英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的MTF图，132英寸投影画面下，MTF观察线对为0.33lp/mm；
主要组件符号说明
Figure BDA0003040260300000041
具体实施方式
下面结合附图1-4对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
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，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以及第六球面透镜117，其中第四球面透镜114和第五球面透镜115胶合成第一胶合透镜。
第二透镜组120依光线传播之先后顺序，包含第七球面透镜121、第八球面透镜122以及第九球面透镜123，其中第七球面透镜121和第八球面透镜122胶合成第二胶合透镜。
第三透镜组130依光线传播之先后顺序，依次包含第十球面透镜131、第十一球面透镜132以及第一非球面透镜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，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则为弯向光阑的弯月透镜。
其中，第一球面透镜111具有较高折射率(Nd＞1.75)，主要用于承担第一透镜组的光焦度，第二球面透镜112以及第三球面透镜113为低折射率(Nd≤1.5)高阿贝数材质(Vd≥80)，一方面通过透镜分裂来承担较大的光焦度，同时避免大的光线角度，降低公差敏感性，另一方面，使用低折射率高阿贝数材质可以减小色差的产生，此处选用了H-FK61作为第二球面透镜112和第三球面透镜113的材质，利用其特殊的相对色散系数，可以有效减小二级光谱。
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位于光阑孔附近，胶合面弯向光阑，第一胶合透镜承担了第一透镜组的色差校正任务，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≤1.65)高阿贝数(Vd≥60)材质，参数选择满足色差校正原则，由于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，从色差校正效果来看，第五球面透镜采用H-FK61更为有利，但考虑到H-FK61的热膨胀系数较大，容易引起镜头的温漂，故改为H-LAK4L材质，损失的色差校正效果通过第二球面透镜和第三球面透镜的材质进行补偿。
第六球面透镜116主要作用是增大相对孔径，其弯月轮廓，降低了入射光线和出射光线的角度，减少了球差的产生。
参考图2(b)，为本发明的第二透镜组结构示意图，由第七球面透镜121和第八球面透镜122胶合而成的第二胶合透镜以及第九球面透镜构成，第二透镜组为调焦组，可沿轴向前后移动，三个透镜的组合使得第二透镜组的轴向长度增加，偏心和倾斜等组装公差相比单透镜调焦的系统更胜一筹，第七球面透镜121和第八球面透镜122具有相似的折射率和阿贝数，利用胶合面两侧的折射率差异和阿贝数差异，可以自由调整高级球差和高级像散的补偿量，使得第二透镜组可以补偿不同投影距离所产生的像差变化，第九球面透镜为负透镜，主要用于减小第三透镜组进入到第二透镜组的光线角度，降低调焦过程中的公差敏感性。
参考图2(c)，为本发明的第三透镜组结构示意图，其中，第十球面透镜131以及第十一球面透镜132为一对正负透镜，主要作用是对轴外的球差和像散进行校正，第一非球面透镜133为塑料非球面透镜，光焦度为负，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，塑料非球面透镜比较容易受到温度的影响，折射率发生变化，轮廓变形，导致像质变差，这里巧妙地利用第十一球面透镜132作为负光焦度的主要承担者，将第一非球面透镜的光焦度转移到该玻璃透镜上，一方面降低了单个透镜的光焦度，另一方面减缓了镜头的温漂现象。
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 BDA0003040260300000071
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～r15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，72英寸和132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，72英寸投影画面尺寸时，像素大小为833um，132英寸投影画面尺寸时，像素大小为1529um，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，72英寸和132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72英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的MTF图，72英寸投影画面下，MTF观察线对为0.60lp/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0.60lp/mm时，全视场的MTF≥0.40，像质良好。
图8(a)和图8(b)分别为，在132英寸投影画面下，环境温度20℃和60℃时，屏幕处的MTF图，132英寸投影画面下，MTF观察线对为0.33lp/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0.33lp/mm时，全视场的MTF≥0.4，像质良好。
以下案例为适用于0.47英寸DMD，投射比TR＝0.24，偏移量OFFSET＝135％，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 BDA0003040260300000081
Figure BDA0003040260300000091
Figure BDA0003040260300000101
Figure BDA0003040260300000111
表2：
Figure BDA0003040260300000112
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)

1.一种低成本超短焦投影镜头，包括折射镜组以及反射镜组，其特征在于：其中所述折射镜组包括：
只含有球面透镜的第一透镜组和第二透镜组；
以及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所述的一种低成本超短焦投影镜头，其特征在于，所述第一透镜组中靠近芯片侧至少连续使用三个光焦度为正的球面单透镜；
第一透镜组中包含光阑孔；
第二透镜组由一个胶合透镜以及一个负的单透镜组成，胶合透镜在空间距离上更靠近第一透镜组，负的单透镜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1所述的一种低成本超短焦投影镜头，其特征在于，所述第一透镜组的第二球面透镜和第三球面透镜为低折射率（Nd≤1.5）高阿贝数材质（Vd≥80）；
第一透镜组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≤1.65）高阿贝数（Vd≥60）材质；
第二透镜组胶合透镜的胶合面背向光阑，并且胶合面两侧的材质折射率差异在0.1以内，阿贝数差异在10以内；
第三透镜组中的球面单透镜，正透镜为冕玻璃，负透镜为火石玻璃。
4.根据权利要求2所述的一种低成本超短焦投影镜头，其特征在于，所述第一透镜组中连续使用的三个正光焦度的球面透镜中，最靠近光阑孔的单透镜为弯月透镜；
第一透镜组中的胶合透镜位于光阑孔左侧，胶合面弯向光阑孔；
第二透镜组中的胶合透镜的胶合面背向光阑孔，负透镜则弯向光阑孔；
第三透镜组中非球面透镜至少有一个表面为反曲表面。
5.根据权利要求1~4所述的一种低成本超短焦投影镜头，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，其中第四球面透镜和第五球面透镜胶合成第一胶合透镜。
6.根据权利要求1~4所述的一种低成本超短焦投影镜头，其特征在于，由物侧至像侧顺序，所述第二透镜组包括：第七球面透镜、第八球面透镜以及第九球面透镜，其中第七球面透镜和第八球面透镜胶合成第二胶合透镜。
7.根据权利要求1~4所述的一种低成本超短焦投影镜头，其特征在于，由物侧至像侧顺序，所述第三透镜组包括：由第十球面透镜、第十一球面透镜以及第一非球面透镜。
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