CN113820842A - 一种变焦投影光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变焦投影光学系统，包括包括自物侧到像侧依次设置的：第一透镜组G1，变焦时固定且具有负光焦度；第二透镜组G2，可沿光轴方向移动且具有正光焦度，用于对不同物距进行调焦；第三透镜组G3，可沿光轴方向移动且具有正光焦度；第四透镜组G4，可沿光轴方向移动且具有正光焦度；光阑组STO，可沿光轴方向移动；第五透镜组G5，可沿光轴方向移动且具有负光焦度；第六透镜组G6，可沿光轴方向移动且具有正光焦度；第七透镜组G7，变焦时固定且具有正光焦度；所述变焦投影光学系统具有恒定Fno，在保证变焦过程中Fno恒定不变的前提下，焦距17.68mm‑28.28mm，变焦比为1.6×，光学畸变小于1.3％，相对照度大于70％的连续变焦投影镜头。

Description

一种变焦投影光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统领域，特别涉及一种变焦投影光学系统。
背景技术
当前市场上高流明高光通量的投影机普遍存在热失焦现象，然而存在热失焦的产品需要重复对焦，对实际使用有很大影响。尤其对于变焦投影光学系统，由于广角端与摄远端光能损失不一致，存在广角端与摄远端热失焦程度不相同的情况。常用的解决办法有机械结构散热补偿、光学设计再修正补偿等方式方法，然而后期补偿意味着前期设计无效，需要花费更大成本与时间去修正补偿。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种变焦投影光学系统，用于广角端与摄远端热失焦程度不相同的问题。
根据本发明实施例的一种变焦投影光学系统，包括包括自物侧到像侧依次设置的：第一透镜组，变焦时固定且具有负光焦度；第二透镜组，可沿光轴方向移动且具有正光焦度，用于对不同物距进行调焦；第三透镜组，可沿光轴方向移动且具有正光焦度；第四透镜组，可沿光轴方向移动且具有正光焦度；光阑组，可沿光轴方向移动；第五透镜组，可沿光轴方向移动且具有负光焦度；第六透镜组，可沿光轴方向移动且具有正光焦度；第七透镜组，变焦时固定且具有正光焦度；
所述变焦投影光学系统具有恒定Fno，Fno等于镜头焦距f/入瞳直径D。
根据本发明实施例的一种变焦投影光学系统，至少具有如下有益效果：本发明通过设置有不同光焦度的透镜组合，具有恒定Fno、连续变焦、大光圈、高分辨率、像方远心、低畸变、相对照度高的优点。并且在连续变焦的过程中，光学系统的f数恒定不变，通过减少变焦过程中数值孔径的变化导致的光能损失，进而解决高流明高光通量的变焦投影光学系统由于变焦过程中Fno的变化，与投影机照明光机出射光数值孔径不匹配，造成光学系统内部温度分布不一致而导致的热失焦差异。
根据本发明的一些实施例，所述第一透镜组中包括至少一枚负透镜；所述第二透镜组中包括至少一个粘合镜片；所述第三透镜组中包括至少一个正透镜；所述第四透镜组中包括至少一个正透镜；所述第五透镜组中包括至少一枚负透镜；所述第六透镜组中包括至少一个正透镜；所述第七透镜组中包括至少一个正透镜。
根据本发明的一些实施例，所述第一透镜组中包括至少一枚折射率Nd≥1.84、阿贝数Vd≤34的负透镜。
根据本发明的一些实施例，各透镜组满足以下式：
-3.0<f1/fw<-1.0；
8.5<f2/fw<10；
20<f3/fw<16；
1.5<f4/fw<4.0；
-2.5<f5/fw<-1.0；
1.0<f6/fw<3.5；
2.0<f7/fw<5.0；
其中，fw为光学系统摄远端有效焦距，f1为第一透镜组的焦距，f2为第二透镜组的焦距，f3为第三透镜组的焦距，f4为第四透镜组的焦距，f5为第五透镜组的焦距，f6为第六透镜组的焦距，f7为第七透镜组的焦距。
根据本发明的一些实施例，在从广角端变焦至摄远端的变焦过程中，第三透镜组与第二透镜组之间的间隔先减小后增加；第四透镜组与第三透镜组之间、第五透镜组与光阑组之间、第六透镜组与第五透镜组之间的间隔都减小；光阑组与第四透镜组之间、第八透镜组(G8)与第七透镜组之间的间隔都增大。
根据本发明的一些实施例，所述第七透镜组至像侧之间设置有等效棱镜组、光阀。
根据本发明的一些实施例，所述光阀为0.67英寸光阀芯片，其分辨率为1920×1200，像元间距7.56um，奈奎斯特频率为67lp/mm。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1分别为本发明的实施例广角端、摄远端的示意图；
图2为本发明实施例广角端球差、像散、场曲图；
图3为本发明实施例摄远端球差、像散、场曲图；
图4为本发明实施例广角端光线像差图；
图5为本发明实施例摄远端光线像差图；
图6为本发明实施例广角端MTF图；
图7为本发明实施例摄远端MTF图；
图8为本发明实施例广角端Near端的MTF图；
图9为本发明实施例摄远端Near端的MTF图；
图10为本发明实施例广角端Far端的MTF图；
图11为本发明实施例摄远端Far端的MTF图；
图12为本发明实施例在物距3100mm的MTF与视场图；
图13为本发明实施例焦距-入瞳直径图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参考图1所示，为本发明实施例的一种变焦投影光学系统，包括包括自物侧到像侧依次设置的：第一透镜组G1，变焦时固定且具有负光焦度；第二透镜组G2，可沿光轴方向移动且具有正光焦度，用于对不同物距进行调焦；第三透镜组G3，可沿光轴方向移动且具有正光焦度；第四透镜组G4，可沿光轴方向移动且具有正光焦度；光阑组STO，可沿光轴方向移动；第五透镜组G5，可沿光轴方向移动且具有负光焦度；第六透镜组G6，可沿光轴方向移动且具有正光焦度；第七透镜组G7，变焦时固定且具有正光焦度；
所述变焦投影光学系统具有恒定Fno，通过合理分配各群组的光焦度，在变焦的过程中保持焦距与入瞳直径成正比，以保证系统在变焦过程中，孔径光阑孔径不发生变化的前提下Fno恒定状态，Fno等于镜头焦距f/入瞳直径D，在保证变焦过程中Fno恒定不变的前提下，焦距17.68mm-28.28mm，变焦比为1.6×，光学畸变小于1.3％，相对照度大于70％的连续变焦投影镜头。并且在连续变焦的过程中，光学系统的f数恒定不变，通过减少变焦过程中数值孔径的变化导致的光能损失，进而解决高流明高光通量的变焦投影光学系统由于变焦过程中Fno的变化，与投影机照明光机出射光数值孔径不匹配，造成光学系统内部温度分布不一致而导致的热失焦差异。
在本发明的一些实施例中，所述第一透镜组G1中包括至少一枚负透镜；所述第二透镜组G2中包括至少一个粘合镜片；所述第三透镜组G3中包括至少一个正透镜；所述第四透镜组G4中包括至少一个正透镜；所述第五透镜组G5中包括至少一枚负透镜；所述第六透镜组G6中包括至少一个正透镜；所述第七透镜组G7中包括至少一个正透镜。
具体的，本实施例优选第一透镜组G1由4个弯月形透镜组成，第二透镜组G2的粘合镜片采用半月形透镜和双凹透镜组成，第三透镜组G3采用双凹透镜和双凸透镜组成，第四透镜组G4采用一个双凸透镜，第五透镜组G5采用双凸透镜和双凹透镜粘合、以及两个弯月形透镜组成，第六透镜组G6采用一个半凸透镜，第七透镜组G7采用一个半凸透镜，具体参数见下表1：
Surface Radius Thickness Nd Vd
Object INF D0 - -
S1 60 10.5 1.67 48.4
S2 171.395 0.2 - -
S3 39.89 2 1.74 44.9
S4 25.67 7.565 - -
S5 59.315 1.8 1.83 42.7
S6 28.7 6.195 - -
S7 269.96 1.6 1.83 42.7
S8 33.56 D1 - -
S9 538.05 6.3 1.95 18
S10 -56 1.5 1.49 70.4
S11 112.28 D2 - -
S12 -42.14 12 1.52 64.2
S13 55.17 0.26 - -
S14 60.15 6.7 1.83 42.7
S15 -91.53 D3 - -
S16 45 5.7 1.72 47.9
S17 -251.55 D4 - -
STO INF D5 - -
S19 41.63 4.9 1.62 53.9
S20 -30.6 1 1.95 18
S21 47.77 2.56 - -
S22 95.9 1 1.95 18
S23 29.785 7.44 1.5 81.6
S24 -18.915 1 1.81 33.3
S25 -167.64 D6 - -
S26 603.56 7.06 1.95 18
S27 -39.14 D7 - -
S28 55.36 4.23 1.95 18
S29 455.52 11.98 - -
S30 INF 26.8 1.52 64.2
S31 INF 2 - -
S32 INF 1.05 1.51 65
S33 INF 0.703 - -
Image INF - - -
表1
在本发明的一些实施例中，所述第一透镜组G1中包括至少一枚折射率Nd≥1.84、阿贝数Vd≤34的负透镜，用于高级球差、色差、场曲以及像散的平衡与校正。
在本发明的一些实施例中，各透镜组满足以下式：
-3.0<f1/fw<-1.0；
8.5<f2/fw<10；
20<f3/fw<16；
1.5<f4/fw<4.0；
-2.5<f5/fw<-1.0；
1.0<f6/fw<3.5；
2.0<f7/fw<5.0；
其中，fw为光学系统摄远端有效焦距，f1为第一透镜组G1的焦距，f2为第二透镜组G2的焦距，f3为第三透镜组G3的焦距，f4为第四透镜组G4的焦距，f5为第五透镜组G5的焦距，f6为第六透镜组G6的焦距，f7为第七透镜组G7的焦距。
在本发明的一些实施例中，在从广角端变焦至摄远端的变焦过程中，第三透镜组G3与第二透镜组G2之间的间隔先减小后增加；第四透镜组G4与第三透镜组G3之间、第五透镜组G5与光阑组STO之间、第六透镜组G6与第五透镜组G5之间的间隔都减小；光阑组与第四透镜组G4之间、第八透镜组G8与第七透镜组G7之间的间隔都增大。
本实施例在变焦过程中，镜头总长保持不变。下表给出的该实施例变焦间隔：
Figure BDA0003270950390000061
Figure BDA0003270950390000071
表2
在调焦过程中，镜头总长保持不变。下表给出了该实施例调焦间隔：
Figure BDA0003270950390000072
表3
在本发明的一些实施例中，所述第七透镜组G7至像侧之间设置有等效棱镜组P、光阀IMG。
在本发明的一些实施例中，所述光阀IMG为0.67英寸光阀芯片，其分辨率为1920×1200，像元间距7.56um，奈奎斯特频率为67lp/mm。光阀可对光轴进行偏置放置，使得投影画面可进行上下左右位移，偏置位移最大支持上下±96％、左右±45％。
图2至图13为本发明实施例广角端与摄远端的光学评价图。其中图2与图3为色球差、像散场曲以及畸变图；图4与图5为光线像差图，无论在广角还是摄远端其像差平衡较好，光学畸变广角端小于1.3％，光阀在任意偏置位置下TV畸变<0.5％。图6与图7为调制传递函数MTF图，在奈奎斯特频率67lp/mm，均大于0.65，光学性能极好。图8、图9分别为本发明实施例广角端、摄远端Near端的MTF图，图10、图11分别为本发明实施例广角端、摄远端Far端的MTF图，可见在整个变焦过程中，各焦段不同物距下的MTF调制传递函数均大于0.5，各焦段不同物距下成像性能基本保持一致并且性能优异。图12为实施例物距3100mm处在奈奎斯特频率67lp/mm下的MTF与视场图，从图中可以看出各视场TS像散像面差较好，并且中心周边MTF基本均匀，保证各视场成像性能均匀。图13为焦距-入瞳直径图，可见在变焦过程中，有效焦距与入瞳直径成正比关系，fno恒定2.1。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定，例如，将胶合镜片拆分为小空气间隔的正负透镜搭配，且单透镜形状材质特性保持类似，应视为本发明专利的适当延伸，在本专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种变焦投影光学系统，其特征在于，
包括自物侧到像侧依次设置的：第一透镜组(G1)，变焦时固定且具有负光焦度；第二透镜组(G2)，可沿光轴方向移动且具有正光焦度，用于对不同物距进行调焦；第三透镜组(G3)，可沿光轴方向移动且具有正光焦度；第四透镜组(G4)，可沿光轴方向移动且具有正光焦度；光阑组(STO)，可沿光轴方向移动；第五透镜组(G5)，可沿光轴方向移动且具有负光焦度；第六透镜组(G6)，可沿光轴方向移动且具有正光焦度；第七透镜组(G7)，变焦时固定且具有正光焦度；
所述变焦投影光学系统具有恒定Fno，Fno等于镜头焦距f/入瞳直径D。
2.根据权利要求1所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜组(G1)中包括至少一枚负透镜；所述第二透镜组(G2)中包括至少一个粘合镜片；所述第三透镜组(G3)中包括至少一个正透镜；所述第四透镜组(G4)中包括至少一个正透镜；所述第五透镜组(G5)中包括至少一枚负透镜；所述第六透镜组(G6)中包括至少一个正透镜；所述第七透镜组(G7)中包括至少一个正透镜。
3.根据权利要求2所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于：所述第一透镜组(G1)中包括至少一枚折射率Nd≥1.84、阿贝数Vd≤34的负透镜。
4.根据权利要求1所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于：各透镜组满足以下式：
-3.0<f1/fw<-1.0；
8.5<f2/fw<10；
20<f3/fw<16；
1.5<f4/fw<4.0；
-2.5<f5/fw<-1.0；
1.0<f6/fw<3.5；
2.0<f7/fw<5.0；
其中，fw为光学系统摄远端有效焦距，f1为第一透镜组(G1)的焦距，f2为第二透镜组(G2)的焦距，f3为第三透镜组(G3)的焦距，f4为第四透镜组(G4)的焦距，f5为第五透镜组(G5)的焦距，f6为第六透镜组(G6)的焦距，f7为第七透镜组(G7)的焦距。
5.根据权利要求1所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于：在从广角端变焦至摄远端的变焦过程中，第三透镜组(G3)与第二透镜组(G2)之间的间隔先减小后增加；第四透镜组(G4)与第三透镜组(G3)之间、第五透镜组(G5)与光阑组(STO)之间、第六透镜组(G6)与第五透镜组(G5)之间的间隔都减小；光阑组与第四透镜组(G4)之间、第八透镜组(G8)与第七透镜组(G7)之间的间隔都增大。
6.根据权利要求1所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于：所述第七透镜组(G7)至像侧之间设置有等效棱镜组(P)、光阀(IMG)。
7.根据权利要求6所述的一种变焦投影光学系统，其特征在于：所述光阀(IMG)为0.67英寸光阀芯片，其分辨率为1920×1200，像元间距7.56um，奈奎斯特频率为67lp/mm。
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