CN114545611A - 4k超短焦投影镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种4K超短焦投影镜头，其使用凹面反射式架构所设计的超短焦投影镜头，该４K超焦投影镜头包括折射系统及反射系统。自物面一侧（显示芯片）到像面一侧（投影屏幕），沿光路前后排列，该４K超短焦投影镜头折射系统包含第一透镜组和第二透镜组。该折射系统的作用是将所述显示芯片的图像成像为一中间像，该中间像位于折射系统和反射系统之间，该中间像经反射系统后，在投影屏幕上形成放大的投影图像。第一透镜组、孔径光阑、第二透镜组及凹面反射镜具有共同的主光轴。超短焦镜头的投射比为0.21~0.23,焦距为‑2.2~‑2.8mm，显示芯片相对主光轴的偏移量大于125％。本发明能够在短距离投影大的图像，且成像质量高、图像畸变小。

Description

4K超短焦投影镜头

技术领域

本发明涉及光学镜头，特别是一种4K超短焦投影机镜头。

背景技术

激光投影应用于家庭激光电视领域，其中一个重要的指标就是投影机离屏幕的距离小，可以方便将激光电视主机放置于电视机柜上，避免长焦投影机因为投影距离长，导致安装不方便、人员遮挡画面的情况。

超短焦投影镜头可以有效缩短投影屏幕与投影机之间的距离，并且得到大尺寸的投影画面。然而，超短焦投影镜头所衍生出的像差，如畸变 (Distortion)、场曲 (FieldCurvature)、像散 (Astigmatism) 等，皆是目前超短焦投影镜设计上必须面对的难题。为确保达到一定的光学质量，通常会缩小光圈，而大多数广角镜头的焦数（f/#）通常介于 2.4~2.7，甚至更大。

一般超短投影镜头要同时达到缩短焦距的目标并克服像差的问题，通常会以以下三种方式设计4K超短焦投影镜头 ：

1. 折射式 ：镜头中全数以透镜进行设计，通常采用球面透镜或非球面透镜以达到广角功能。折射式设计的镜头全部由透镜组成，包括球面透镜或非球面透镜，由于这种设计的镜头其透镜镜片的数量较大且种类繁多，像差不易校正，因此结构往往较复杂，不利于制造。

2. 反射式 ：镜头中全数以反射镜进行设计，通常采用球面、非球面或平面反射镜。反射式设计的镜头全部由反射镜组成，包括球面或非球面的反射镜，反射镜可以是凸面、凹面或平面反射镜，但非球面反射镜的加工及检测的难度较大，多片的反射镜无疑增大了镜头的成本和制造难度，对装配的精度要求也非常高。

3.混合式(折射＋反射) ：镜头中靠近物面的一侧采用多种折射透镜，而最后在像面的一侧则以反射镜达到广角的设计，其中再以反射镜种类来细分，又可分平板、凸面及凹面式三种不同的反射镜。混合式设计的镜头综合了折射式和反射式的技术特点，采用了透镜和反射镜相结合的设计方式，是目前市面上超短焦投影镜头的主流方案。

为了达到超短焦及避免投射距离大于投影画面尺寸，必须将光路进行折转，使对应的光学组件与机构尺寸也随之变大，造成组件制造难度大幅增加。若采用制作复杂的自由曲面反射镜，也会造成相当敏感的组装公差。此外，在上述三种反射镜中，平板式反射镜无曲率，因此若要达到更广角的效果，必须由镜头本身或依靠调整镜头与反射镜的距离来完成，如此镜头会变得较长，而牺牲了空间。凸面式反射镜虽有曲率可补偿像差等功能，但因几何形状的关系，凸面镜多为外露式设计，但这样的设计则会增加镜面受损的机率，一来无防尘效果，二来稳定性也不佳，只适合壁挂式设计。凹面式反射镜拥有凸面式反射镜的功能，可克服镜面外露问题，是目前短焦投影机设计者设计4K超短焦投影镜头时较佳的选择。虽然凹面式反射镜搭配混合式的设计可解决上述平面及凸面反射镜所造成的问题，但为了达到广角的效果，体积比起一般前投式投影机还是大了许多，从许多设计中可以看到为了缩短镜身长度，镜头中会加入反射镜作转折，但这样一来镜头的宽度或高度则会增加， 二则无法有效缩短镜头的长度。

目前也有很多种基于先折射后反射的混合式设计原理的结构被提出。基于先折射后反射的混合式设计原理的镜头或系统，但是由于需要在较短的距离内投射出尺寸较大的画面，以至于投射出的图像会存在畸变、球差或色差等，景深和像面亮度均难以控制，所得的图像质量不高。因此，要设计出一种超短焦的投影镜头，使其焦距缩短以达到镜身长度减小，且在大光圈的条件下校正一般4K超短焦投影镜头所衍生的像差，是目前极为需要克服的难题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种4K超短焦投影镜头，能够短距离投影大图像，并且提高成像质量。 为了构思出可于大光圈下不产生像差且体积小的4K超短焦投影镜头，本发明利用球面透镜、非球面透镜与凹面反射镜组成本发明的超短焦投影镜头。该4K超短焦投影镜头可以有效缩短焦距，使镜身减小，也可改善镜头在大光圈所产生的像差。

因此，本发明提供一种用于改善成像像差的超短焦投影镜头，包括 ：一折射系统； 以及一反射系统，该折射系统包括 ：一第一透镜组，包括多个球面透镜及至少一个非球面透镜 ；以及一第二透镜组，包括至少多个球面透镜及至少一个非球面透镜。

较佳地，该4K超短焦镜头的特征在于，一物面通过该4K超短焦镜头而成像为一像面，其中 ： 该第一透镜组，包括六个球面透镜及一个非球面透镜，其中该六个球面透镜及非球面透镜自物面一侧（显示芯片）到像面一侧（投影屏幕），沿光路依次排列为第一球面透镜、第一非球面透镜、第二球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜、第五球面透镜及第六球面透镜；该第二透镜组包括四个球面透镜及一个非球面透镜，其中该四个球面透镜及该一个非球面透镜自物面一侧（显示芯片）到像面一侧（投影屏幕），沿光路依次排列为第七球面透镜、第八球面透镜、第九球面透镜、第十球面透镜及第二非球面透镜；一孔径光阑，位于该第五球面透镜及该第六球面透镜之间；以及该反射系统为轴对称非球面凹面反射镜，位于第二透镜组之后，用于反射通过该第一透镜组及第二透镜组所射出的光束，将中间像反射在投影屏幕上形成放大的投影图像。

较佳地，该4K超短焦镜头的特征在于，所述第一透镜组、所述孔径光阑和所述第二透镜组具有同一主光轴；所述4K超短焦投影镜头的投射比为0.21～0.23，焦距为-2.2mm～-2.8mm，所述第一图像相对于主光轴的偏移量大于125％。

较佳地，该4K超短焦投影镜头的特征在于，该反射镜为凹面反射镜。

较佳地，该4K超短焦投影镜头的特征在于，该凹面反射镜与该第一透镜组具有同一主光轴。

较佳地，该4K超短焦投影镜头的特征在于，该凹面反射镜的凹面为旋转对称非球面或者自由曲面。

较佳地，该4K超短焦投影镜头的特征在于，该凹面反射镜设在该第二非球面透镜之后。

较佳地，该4K超短焦投影镜头的特征在于，该第一非球面透镜、该第二非球面透镜各自为一轴对称非球面透镜，其中该第一非球面透镜用于改善该广角镜头于大光圈时的远场分辨率，该第二非球面透镜用于改善慧差，且该第二非球面透镜还用于缩短该第二非球面透镜与该反射镜之间的距离，使该广角镜头的镜身的长度减小。

较佳地，该4K超短焦投影镜头的特征在于，该第二非球面透镜与该反射镜之间的该距离经调整，以修正该4K超短焦投影镜头的投影图像的成像品质。

较佳地，该4K超短焦投影镜头的特征在于，该4K超短焦投影镜头，为一二次成像系统，当一光束通过该折射系统后，于该折射系统与该反射系统之间产生一变形的中间像，该中间像经由该反射系统后，于投影屏幕上产生放大的无形变的投影图像。

较佳地，该4K超短焦投影镜头的特征在于，该第二球面透镜、第三球面透镜和第四球面透镜胶合为一个整体。

较佳地，该4K超短焦投影镜头的特征在于，该第三球面透镜的折射率高于所述该第二球面透镜；该第四球面透镜的折射率小于该球面透镜二和球面透镜三的折射率；该第三球面透镜的阿贝数小于所述该第二球面透镜的阿贝数，该第四球面透镜的阿贝数大于该第二球面透镜和第三球面透镜的阿贝数。

附图说明

本发明已经以通常用语描述，现在将参照所附附图，其不须要按比例描绘，以及其中 ：

图 1 为本发明的4K超短焦投影镜头结构示意图。

图 2(a) 为本发明的第一透镜群组的结构示意图。

图2(b) 为本发明的第二透镜群组的结构示意图。

图3为本发明的光线路径示意图。

图4为光线经过本发明的4K超短焦投影镜头成中间像的示意图，其中图4(a) 示出形成的第一像-中间像， 图4(b)示出投影在屏幕上的第二像。

图5为本发明的4K超短焦投影镜头与投影物的位置及比例的示意图。

图6(a)为本发明的图像显示芯片上影像的示意图。

图6(b) 为本发明的影像经过第一及第二透镜群组所呈现中间像的示意图。

图7(a) 为本发明的中间像的示意图。

图7(b) 为本发明的第二像的示意图。

图8为本发明成像质量的光学仿真数据图，具体为本发明的4K超短焦投影镜头投影至100 吋屏幕的横向光线扇形图 (Ray Fan)。

图9为本发明成像质量的光学仿真数据图，具体为本发明的4K超短焦投影镜头投影至100吋屏幕的横向色差图 (Lateral Color)。

图10 为本发明成像质量的光学仿真数据图，具体为本发明的4K超短焦投影镜头投影至100 吋屏幕的MTF。

主要组件符号说明

具体实施方式

本申请所提出的发明将可由以下的实施例说明而得到充分理解，使得本领域技术人员可以完成，然而本申请之实施例并非可由下列实施例而被限制其实施型态，熟悉本技艺之人士仍可依据既揭露之实施例的精神推演出其它实施例，该等实施例皆当属于本发明的范围。

请参阅图1，其为本发明的4K超短焦投影镜头的结构示意图。本发明的4K超短焦投影镜头100具有一光轴107，且该4K超短焦投影镜头100包括一图像显示芯片101、一TIR反射棱镜102及一4K超短焦投影镜头，其中该4K超短焦投影镜头包括一折射系统及一反射系统。该折射系统包括一第一透镜组103及一第二透镜组104，该反射系统为一反射镜 105。该4K超短焦投影镜头配置于一物面 (未示出) 及一像面 (未示出) 之间，其中该物面靠近该图像显示芯片101的一侧，该像面为物面通过该4K超短焦投影镜头所形成的成像，且从该物面至该像面之间依序包括该第一透镜组103、该第二透镜组104及该反射镜105。其中该第一透镜组103自该物面至该像面的方向依序为一第一球面透镜111、一第一非球面透镜112、一第二球面透镜113、一第三球面透镜114、一第四球面透镜115、一第五球面透镜116、一孔径光阑106、一第六球面透镜117。该第二透镜组104自该物面至该像面的方向依序为一第七球面透镜 121、一第八球面透镜 122、一第九球面透镜 123 及一第十球面透镜 124及一第二非球面透镜125。该反射镜 105为一轴对称的非球面凹面镜，用于反射通过第一透镜组及第二透镜组的一光束。

本发明的4K超短焦投影镜头具有一第一等效焦距F1，第一透镜组103与第二透群组104所形成的折射系统具有一第二等效焦距F2，反射镜105具有一第三等效焦距 F3，本发明的4K超短焦投影镜头符合下列条件 ：

2.0＜│F2/F1│＜ 6.0；

2.5＜│F3/F1│＜11.5。

本发明的图像显示芯片101为一反射式组件，其包括一数字微镜芯片DMD(Digital Micromirror Device)、或者一反射式硅基板液晶显示芯片LCOS (LiquidCrystal on Silicon)。

请参阅图 2(a)，为本发明的第一透镜组103的结构示意图。其中，一第一球面透镜111、一第一非球面透镜112、一第二球面透镜113、一第三球面透镜114、一第四球面透镜115、一第五球面透镜116、一孔径光栏106及一第六球面透镜117的屈光度分别为正、正、正、负、正、负及正。具体而言，第一球面透镜111为一凸凹透镜，其表面S1面向物面，表面S2面向像面。第一非球面透镜112为一双凸透镜，其表面S3面向物面，表面S4面向像面。第二球面透镜113为 一双凸透镜，其表面S5面向物面，表面S6面向像面。第三球面透镜114为一双凹透镜，其表面S6面向物面，表面S7面向像面。第四球面透镜115为一凸凹透镜，其表面S7面向物面，表面S8面向像面。

并第二球面透镜113与第三球面透镜114、第四球面透镜115 组合成一三胶合透镜。

第五球面透镜116为一凹凸透镜，其表面S9面向物面，表面S10面向像面。孔径光阑106具有表面S11。第六球面透镜117为一平凸透镜，其表面S12面向物面，表面S13面向像面。

请参阅图2(b)，为本发明的第二透镜组104的结构示意图。其中，一第七球面透镜121、一第八球面透镜122、一第九球面透镜123、一第十球面透镜 124、一第二非球面透镜125的屈光度分别为正、负、正、负及负。具体而言，第七球面透镜121一凹凸透镜，其表面S14面向物面，表面S15面向像面。第八球面透 镜122为一凹凸透镜，其表面S16面向物面，表面S17面向像面。第九球面透镜123为一双凸透镜，其表面S18面向物面，表面S19面向像面。第十球面透 镜124为一凹凸透镜，其表面S20面向物面，表面S21面向像面。第二非球面透镜125为一凹凸透镜，其表面S22面向物面，表面S23面向像面。

在第一透镜群组103中，孔径光阑106可以调控进光量的大小，而第六球面透镜117系由镧系玻璃所制成，其符合下列条件 ：折射率 (Nd)≧1.6，阿贝数 (Vd)≧50。

为了改善在大光圈下因光束透过透镜所产生的色差，本发明于第一透镜组103中采用一组三胶合透镜，其可以消除多色像差，如纵向色差及横向色差等。其中光束通过该三胶合透镜的折射率变化为低-高-低，阿贝数的变化为高-低-高，其范围为20-70。

在第二透镜组104中，第七球面透镜121为一场透镜(Field Lens)，可以延续光线使视场范围增加，且由于第七球面透镜121的屈光度为正，因此可以将光线向内聚集 (如图3所示)，使其之后靠近像面的第八球面透镜122及第二非球面透镜125的尺寸缩小。

请参阅图4，其为光线经过本发明的4K超短焦投影镜头的示意图。图像显示芯片101 上的图像会呈现于光轴107 的上方，当光线经过第一透镜组及第二透镜组后，其中离光轴较近的光线为一近轴光线 405，离光轴较远的光线为一离轴光线404，两组光线于第二非球面透镜125与凹面反射镜105之间，以形成一中间像 401( 如图4a所示)，再经由凹面反射镜 105将光线反射至一投影屏幕402 上， 以形成一放大的投影图像 403(如图 4b所示)。其中，近轴光线 405的焦点406与折射系统之间的距离会大于离轴光线404的焦点407与折射系统之间的距离。

本发明4K超短焦投影镜头100的投影距离与屏幕402对角线长度的关系为 ：投影距离/屏幕长边长度＜ 0.23。

请参阅图5，为本发明的4K超短焦投影镜头与投影物的位置及比例的示意图。在图5中，横轴与纵轴的中心点为光轴107，在纵轴上靠近光轴107为近轴，远离光轴107为离轴。一投影物501置于光轴107的上方，其中光轴107离投影物501具有一最短距离 Rmin及一最长距离 Rmax，则本发明4K超短焦投影镜头与投影物的关系为：0.1＜Rmin/Rmax＜ 0.125 。

一图像于图像显示芯片101上呈现 (如图6a所示 )。首先，将图像分为 9等(A-I)，当光线经过折射系统后所形成的中间401像会呈现一桶形畸变的光斑 (a-i)，其中当离光轴上方越远，其桶形畸变越严重 (如图 6b所示 )。光斑a至光斑 i 皆与光轴107有一垂直距离，其中光斑a与光轴107的垂直距离为D1，光斑d与光轴107的垂直距离为D2，光斑g 与光轴107的垂直距离为D3，光斑b与光轴107的垂直距离为D4，光斑e与光轴107的垂直距离为D5，光斑 h与光轴107的垂直距离为D6，而拱状光斑与光轴107的垂直距离的关系如下 ：

1＜D4/D1＜1.35 ；1＜D5/D2＜1.2 ；1＜D6/D3＜1.2。

光线经过折射系统所产生的拱状光斑 ( 如图7a 所示) 可通过凹面反射镜105补偿，拱状光斑经过凹面反射镜105反射至屏幕402上后，会呈现无几何失真的投影图像403(如图7b所示 )。

当4K超短焦投影镜头100 与屏幕401的距离改变而调整屏幕画面的尺寸时，横向色差会因距离变长而变差，屏幕画面上的慧差也会变的更严重，此时可透过调整第二非球面透镜125与凹面反射镜 105之间的距离，使第二非球面透镜125与凹面反射镜105之间被扭曲的中间像401得到补偿，在屏幕402上呈现无几何失真的投影图像403。

请参阅图8至图9，其为本发明成像质量的光学仿真数据图。图 8为 红光、蓝光及绿光投影100吋图像时屏幕上的横向光线扇形图 (Ray Fan)。 其横轴为各光线通过孔径光栏 106的位置，纵轴为光线打到屏幕上的位置，由图可看出，红光、蓝光及绿光偏移的位置皆不大，因此本发明的4K超短焦投影镜头所投影出的像的像差很小。

图9为投影至100吋屏幕时的横向色差图 (Lateral Color)，其横轴为各光线打到像平面上相对绿光的偏移量，纵轴为视场的大小。图9所显示的图形中，左边虚线为红光的偏移量，右边实线为绿光的偏移量，其中红光与蓝光的重迭性很好。由图9所显示的图形中可以看出即使红光和蓝光的横向色差较大，但在所有尺寸的屏幕上，其横向色差也不超过0.7个 像素(pixel)，因此本发明的4K超短焦投影镜头具有较低横向色差。

根据不同光点大小投影至100吋屏幕时屏幕上的点列图 (Spot Diagram) 可知，光点投影至100吋屏幕的均方根光点大小 (RMS spot size) 皆小于0.7个像素 (pixel)，可见投影出的光斑皆很小，拖影的现象也不明显，因此本发明的4K超短焦投影镜头所产生的像的慧差很低。

如图10所示，根据各颜色投影至100吋屏幕时屏幕上的调制传递函数(Modulation Transfer Function,Geometric MTF) 图可知，各颜色光在各尺寸屏幕上的调制传递函数 (MTF) 皆大于35%，可见所投影屏幕时的分辨率很高，因此本发明的4K超短焦投影镜头具有很好的分辨率。

实施例1

本发明的实施例1中，4K超短焦投影镜头符合下列条件：有效焦距 (EffectiveFocal Length,EFFL)=-2.38mm、F数 (f/#)=2.0、偏移量 (offset)=135%、解析能力可达93lp/mm、可投影出的画面尺寸为80-120吋、投影距离为448~644mm以及投射比 (投影距离/画面长边长度)为0.21~0.23。

实施例 2

本发明的另一实施例中，4K超短焦投影镜头整个f/2.1 的定焦系统的等效焦距长为-2.8mm、第一及第二透镜组的等效焦距长为12.69mm，以及反射镜的等效焦距长为22.68mm，故满足大光圈定焦系统。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于改善超短距投影成像的超短焦投影镜头，其特征在于包括：折射系统及反射系统，该折射系统包括：第一透镜组，包括多个球面透镜及至少一个非球面透镜；以及第二透镜组，包括多个球面透镜及至少一个非球面透镜。

2.如权利要求1所述 的4K超短焦投影镜头，其特征在于，第一透镜组、孔径光阑、第二透镜组及反射镜具有共同的主光轴，超短焦镜头的投射比为0.21~0.23,焦距为-2.2~-2.8mm，显示芯片相对主光轴的偏移量大于125％。

3.如权利 要求２所述的4K超短焦投影镜头，其特征在于，投影显示芯片的图像通过该4K超短焦投影镜头，在投影屏幕上形成放大的图像，其中：

该第一透镜组，包括六个球面透镜及一个非球面透镜，其中该六个球面透镜及非球面透镜自物面一侧（显示芯片）到像面一侧（投影屏幕），沿光路依次排列为第一球面透镜、第一非球面透镜、第二球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜、第五球面透镜及第六球面透镜；

该第二透镜组包括四个球面透镜及一个非球面透镜，其中该四个球面透镜及一个非球面透镜自物面一侧（显示芯片）到像面一侧（投影屏幕），沿光路依次排列为第七球面透镜、第八球面透镜、第九球面透镜、第十球面透镜及第二非球面透镜；

孔径光阑，位于该第五球面透镜及该第六球面透镜之间；以及该反射系统为轴对称非球面凹面反射镜，位于第二透镜组之后，用于反射通过该第一透镜组及第二透镜组所射出的光束，将中间像反射在投影屏幕上形成放大的投影图像。

4.如权利要求３要求的4K超短焦投影镜头，其特征在于，该第二非球面透镜与该反射镜之间的该距离经调整，以修正该4K超短焦投影镜头的成像品质。

5.如权利要求1要求的4K超短焦投影镜头，其特征在于，该第二球面透镜、第三球面透镜和第四球面透镜胶合为一个整体。

6.如权利要求５要求的4K超短焦投影镜头，其特征在于，该第三球面透镜的折射率高于所述该第二球面透镜；该第四球面透镜的折射率小于该球面透镜二和球面透镜三的折射率；该第三球面透镜的阿贝数小于所述该第二球面透镜的阿贝数，该第四球面透镜的阿贝数大于该第二球面透镜和第三球面透镜的阿贝数。

7.如权利要求1要求的4K超短焦投影镜头，其特征在于，该超短焦镜头为二次成像系统，当光束通过该折射系统后，于该折射系统与该反射系统之间产生第一中间像，该第一中间像经由该反射系统后，于投影屏幕上产生放大的投影图像。

8.如权利要求1要求的4K超短焦投影镜头，其特征在于，该反射镜为凹面反射镜。

9.如权利要求1要求的4K超短焦投影镜头，其特征在于，该凹面反射镜的凹面为旋转对称非球面或者自由曲面。

10.如权利要求1要求的4K超短焦投影镜头，其特征在于，该反射系统凹面反射镜，位于第二非球面透镜之后。

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