CN115145008B - 一种用于高亮度较大型投影仪的长焦镜头结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高亮度较大型投影仪的长焦镜头结构，包括：第四双凸透镜、第三双凸透镜、第三平凹透镜、第二负弯月型透镜、第一平凸透镜、固定光栏A、第一正弯月型透镜、第一双凹透镜、第二双凸透镜、第一负弯月型透镜、第一双凸透镜、第二平凹透镜及第一平凹透镜。本发明在长焦投影镜头焦距、投射比和后工作距被限制的前提下，可以将投影镜头最大相对孔径D/f’提升到1/2.0，镜头体积较小、亮度高，成像质量优异，分辨率能达到或超过适配于4K数字较大型投影仪的高清晰度画面要求。

Description

一种用于高亮度较大型投影仪的长焦镜头结构

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其是一种用于高亮度较大型投影仪的长焦镜头结构。

背景技术

数字投影仪镜头的视场和投射比受到了不同投影的场地和屏幕大小的限制。一般而言，短焦数字投影镜头焦距被限制在18～25mm之间,投射比被限制在0.8：1及1.4～1之间；中焦数字投影镜头焦距被限制在40～50mm之间,投射比被限制在1.7：1及2～1之间。为了满足投射比被限制在3：1及3.6：1之间的较大投影场地，需要采用焦距被限制在75～85mm之间的长焦数字镜头进行远距离投射，投射距离远必然造成屏幕亮度降低，因此增加投影仪光源功率是提高屏幕亮度的唯一方法，此时光源的体积、内部散热机构及电路驱动与控制部分也会相应增大，使得投影仪体积也相应增大。这种较大体积的投影仪如果能分别安装短焦、中焦和长焦数字投影镜头，并且将这些投影镜头的后工作距都限制在100～130mm之间，就可以基本满足当前不同大小投射场地的使用要求。短焦和中焦镜头因投射距离较近，使得屏幕亮度较高，在长焦镜头所投射的屏幕上要达到或超过这种亮度只能增大本身的通光孔径，镜头口径的增大，不但容易造成镜头的体积较大，而且孔径像差急剧增大，严重影响了镜头的成像质量，还直接导致镜头结构变得复杂，生产工艺性变差，这些不利的因素严重制约了长焦数字投影镜头在高清晰度和高亮度方面的技术发展，也是该领域亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于高亮度较大型投影仪的长焦镜头结构，可以将投影镜头最大相对孔径D/f提高到1/2.0，使镜头体积尽可能的小，画面尽可能的亮，并且保证镜头成像质量优异，分辨率能达到或超过适配于4K较大型投影仪高清晰度和高亮度的画面要求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于高亮度较大型投影仪的长焦镜头结构，包括：第四双凸透镜12、第三双凸透镜11、第三平凹透镜10、第二负弯月型透镜9、第一平凸透镜8、固定光栏A、第一正弯月型透镜7、第一双凹透镜6、第二双凸透镜5、第一负弯月型透镜4、第一双凸透镜3、第二平凹透镜2及第一平凹透镜1；在镜头本体沿照明光线入射方向依次设置的第四双凸透镜12、第三双凸透镜11、第三平凹透镜10、第二负弯月型透镜9、第一平凸透镜8、固定光栏A、第一正弯月型透镜7、第一双凹透镜6、第二双凸透镜5、第一负弯月型透镜4、第一双凸透镜3、第二平凹透镜2及第一平凹透镜(1)；其中，第三双凸透镜11和第三平凹透镜10为双胶合镜组，第三双凸透镜11曲率绝对值小的面朝向像面；第二负弯月型透镜9和第一平凸透镜8为双胶合镜组，第二负弯月型透镜9的凸面朝向像面；第一正弯月型透镜7和第一双凹透镜6为双胶合镜组，第一正弯月型透镜7的凹面朝向像面；第一负弯月型透镜4和第一双凸透镜3为双胶合镜组，第一负弯月型透镜4的凸面朝向像面；第四双凸透镜12的曲率绝对值小的面朝向像面；第二双凸透镜5的曲率绝对值大的面朝向像面；第二平凹透镜2的凹面朝向像面；第一平凹透镜1凹面朝向像面。

优选的，第一平凹透镜1和第二双凸透镜5均采用重冕系光学玻璃材质，第二平凹透镜2采用重钡火石系光学玻璃材质，第一双凸透镜3采用冕系光学玻璃材质，第一负弯月型透镜4和第二负弯月型透镜9均采用重火石系光学玻璃材质，第一双凹透镜6、第三双凸透镜11和第四双凸透镜12均采用氟冕系光学玻璃材质，第一正弯月型透镜7采用火石系光学玻璃材质，第一平凸透镜8重斓火石系光学玻璃材质，第三平凹透镜10采用斓火石系光学玻璃材质。

优选的，镜头结构的光学性能参数范围是：焦距f＇＝75mm～85mm；相对孔径D/f＇＝1/2.0～1/3.0，其中D为入瞳直径；反远比为1.4～1.5；投射比为3:1～3.6:1。

优选的，以镜头焦距为1mm时的空气间隔值来表示，第一平凹透镜1与第二平凹透镜2空气间隔为0.2563，第二平凹透镜2与第一双凸透镜3空气间隔为0.1009，第一负弯月型透镜4与第二双凸透镜5空气间隔为0.7608，第二双凸透镜5与第一双凹透镜6空气间隔为0.2625，第一正弯月型透镜7和第一平凸透镜8空气间隔为0.8407，第二负弯月型透镜9与第三平凹透镜10空气间隔为0.0223，第三双凸透镜11与第四双凸透镜12空气间隔为0.0153，固定光栏A与第一平凸透镜8空气间隔为0.2645。

优选的，镜头结构按比例进行焦距缩放，全视场像高直径调整范围为20mm～35mm，适用于1.2英寸和1.38英寸显示芯片较大型投影仪。

本发明的有益效果为：本发明最大相对孔径D/f可以达到1/2.0，在镜头焦距满足投射比为3：1～3.6：1之间时，其反远比和全视场像高调整范围完全能够匹配1.2英寸和1.38英寸不同规格显示芯片数字较大型投影仪，还能保证镜头的后工作距在100mm左右；镜头结构的设置和每片透镜材料的选择，都是在保证镜头最大视场和最大相对孔径以及反远比前提下，尽量减小镜头的体积，最大限度提升镜头加工和装配的工艺性；通过计算机辅助优化设计，完美地校正了光学镜头产生的各种像差，使光学系统在最大相对孔径1/2.0和1.2英寸像高时，各视场在50线对/mm频率处的传递函数MTF值都能达到0.8以上，镜头的分辨率达到或超过4K数字较大型投影仪高亮度和高清晰度的画面要求。

附图说明

图1为本发明的长焦镜头结构示意图。

图2为本发明的长焦镜头光纤追迹图。

其中，1、第一平凹透镜；2、第二平凹透镜；3、第一双凸透镜；4、第一负弯月型透镜；5、第二双凸透镜；6、第一双凹透镜；7、第一正弯月型透镜；8、第一平凸透镜；9、第二负弯月型透镜；10、第三平凹透镜；11、第三双凸透镜；12、第四双凸透镜。

具体实施方式

如图1所示，一种用于高亮度较大型投影仪的长焦镜头结构，包括：镜头本体，在所述镜头本体沿照明光线入射方向依次设置的第四双凸透镜12、第三双凸透镜11、第三平凹透镜10、第二负弯月型透镜9、第一平凸透镜8、固定光栏A、第一正弯月型透镜7、第一双凹透镜6、第二双凸透镜5、第一负弯月型透镜4、第一双凸透镜3、第二平凹透镜2及第一平凹透镜1。其中，第三双凸透镜11和第三平凹透镜10为双胶合镜组，第三双凸透镜11曲率绝对值小的面朝向像面；第二负弯月型透镜9和第一平凸透镜8为双胶合镜组，第二负弯月型透镜9的凸面朝向像面；第一正弯月型透镜7和第一双凹透镜6为双胶合镜组，第一正弯月型透镜7的凹面朝向像面；第一负弯月型透镜4和第一双凸透镜3为双胶合镜组，第一负弯月型透镜4的凸面朝向像面；第四双凸透镜12的曲率绝对值小的面朝向像面；第二双凸透镜5的曲率绝对值大的面朝向像面；第二平凹透镜2的凹面朝向像面；第一平凹透镜1凹面朝向像面。

为了满足镜头视场和大口径的要求在镜头最前面设置第一平凹透镜1、第二平凹透镜2以及第一双凸透镜3和第一负弯月型透镜4双胶合镜组，四个透镜可以合理承担最大视场光线入射和出射的高度。其后面设置的第二双凸透镜5及第一双凹透镜6和第一正弯月型透镜7的双胶合镜组能进一步有效地降低最大视场光线入射和出射的高度，另一方面光栏A前所有镜片构成的前组对光栏A成像决定了镜头入曈的最大直径，在保证相对孔径不变的前提下，合理分配前组各镜片的光焦度及位置，能使第一平凹透镜1和第二平凹透镜2的通光口径尽可能的小。利用正透镜能将光线向光轴方向偏折的会聚特性，设置第二双凸正透镜5就能明显降低光栏A后组所有镜片的通光口径。将第一双凸透镜3与第一负弯月型透镜4双胶合镜组设置在镜头前部，可以利用冕系和重火石系光学玻璃折射率差来减小由镜头产生的孔径像差。因此上述各镜组设置的效果不但能满足镜头视场和最大相对孔径D/f达到1/2.0时的要求，而且对减小整个镜头体积起到了积极的作用。与此同时，光栏A后组所有镜片的设置及光焦度分配，除了平衡和减小前组镜片在最大视场和最大相对孔径条件下产生的各种像差外，必须将镜头的后工作距控制在100mm左右，以便提供在镜头后面和芯片前面的分光棱镜的安装位置。在满足焦距、后工作距、孔径及像高的情况下，用光学设计软件优化整个镜头的像差和参数。

在本实施例中，8个镜组之间的相对位置以镜头焦距为1mm时的空气间隔值来表示，第一平凹透镜1与第二平凹透镜2空气间隔为0.2563，第二平凹透镜2与第一双凸透镜3空气间隔为0.1009，第一负弯月型透镜4与第二双凸透镜5空气间隔为0.7608，第二双凸透镜5与第一双凹透镜6空气间隔为0.2625，第一正弯月型透镜7和第一平凸透镜8空气间隔为0.8407，第二负弯月型透镜9与第三平凹透镜10空气间隔为0.0223，第三双凸透镜11与第四双凸透镜12空气间隔为0.0153，固定光栏A与第一平凸透镜8空气间隔为0.2645。

8个镜组之间的空气间隔的设置，不但能精细校正镜头产生的敏感像差，还能改善镜头的生产工艺性。与此同时，第一平凹透镜1、第二平凹透镜2、第一平凸透镜8和第三平凹透镜10均设置了一个平面，更易于提高加工效率和良品率。在镜头中设置4个胶合镜组，也使得镜头装配简单，内部结构更稳定可靠。

在本实施例中，第一平凹透镜1和第二双凸透镜5均采用重冕系光学玻璃材质，均采用国产H-ZK8牌号。第二平凹透镜2采用重钡火石系光学玻璃材质，采用国产H-ZBAF5牌号。第一双凸透镜3采用冕系光学玻璃材质，采用国产H-K1牌号。第一负弯月型透镜4和第二负弯月型透镜9均采用重火石系光学玻璃材质，分别采用国产H-ZF7LA和H-ZF12牌号。第一双凹透镜6、第三双凸透镜11和第四双凸透镜12均采用氟冕系光学玻璃材质，均采用国产H-FK61牌号。第一正弯月型透镜7采用火石系光学玻璃材质，采用国产H-F4牌号。第一平凸透镜8采用重斓火石系光学玻璃材质，采用国产H-ZLAF50E牌号。第三平凹透镜10采用斓火石系光学玻璃材质,采用国产H-LAF6LA牌号。在其他实施例中，也可采用同一系列的其他国内外牌号的光学玻璃材质，都可以达到本申请的技术效果。

上述的镜组中，在光学设计时为了平衡和校正光学镜头在可见光谱范围内产生的轴上与轴外像差，尤其是难已校正的色差。在镜头前部设置了第一双凸透镜3与第一负弯月型透镜4双胶合镜组利用冕系和重火石系光学玻璃高低色散的组合来有效地减小镜头前部所产生的孔径和视场色差；在镜头内所设置的另外3组双胶合镜组，分别采用了高折射率、低色散或高色散、低折射率的玻璃材料的优化组合以及设置的3个具有超高色散系数FK61氟冕玻璃新材料的镜片，能进一步显著减小镜头大孔径所产生的像差特别是色差，并且能够将镜头的后工作距控制在100mm左右。通过计算机光学软件的运用和优化设计，使镜头的成像质量优异，镜头分辨率达到或超过可与4K数字较大型投影仪相适配高清晰度的技术指标，并且亮度高、彩色还原性好。

实施方式1的镜头结构的具体结构设计参数见表1。表1所示的镜头结构，其相对孔径D/f为1/2.0，焦距为1mm。

实施方式1的镜头结构，根据市场需求对镜头焦距按比例进行缩放，镜头焦距范围在75mm～85mm之间，全视场像高直径范围在20mm～35mm之间，镜头的反远比范围在1.4～1.5之间，相对孔径D/f范围在1/2.0～1/3.0之间，能满足镜头投射比在3：1及～3.6：1之间大多数影院的需求，镜头适用于1.2英寸和1.38英寸等不同规格显示芯片数字较大型投影仪。

表1实施方式1的镜头结构的光学参数

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图2给出了本申请实施方式1的镜头结构的光线追迹示意图，示出了实施方式1的镜头结构各个视场的特征光线走向，以及该特征光线在各个透镜表面的入射高度，该入射高度决定了镜头结构中各个透镜的通光孔径。

Claims (2)

1.一种用于高亮度较大型投影仪的长焦镜头结构，其特征在于，所述镜头结构的光学参数如下表所示：

曲率半径和间隔/厚度的单位都为mm；

所述镜头结构沿照明光线入射方向由依次设置的棱镜、第四双凸透镜(12)、第三双凸透镜(11)、第三平凹透镜(10)、第二负弯月型透镜(9)、第一平凸透镜(8)、固定光阑、第一正弯月型透镜(7)、第一双凹透镜(6)、第二双凸透镜(5)、第一负弯月型透镜(4)、第一双凸透镜(3)、第二平凹透镜(2)及第一平凹透镜(1)组成；其中，第三双凸透镜(11)和第三平凹透镜(10)为双胶合镜组；第二负弯月型透镜(9)和第一平凸透镜(8)为双胶合镜组，第二负弯月型透镜(9)的凸面朝向像面；第一正弯月型透镜(7)和第一双凹透镜(6)为双胶合镜组，第一正弯月型透镜(7)的凹面朝向像面；第一负弯月型透镜(4)和第一双凸透镜(3)为双胶合镜组，第一负弯月型透镜(4)的凸面朝向像面；第二平凹透镜(2)的凹面朝向像面；第一平凹透镜(1)凹面朝向像面；全视场像高直径调整范围为20mm～35mm，适用于1.2英寸或1.38英寸显示芯片较大型投影仪。

2.如权利要求1所述的用于高亮度较大型投影仪的长焦镜头结构，其特征在于，第一平凹透镜(1)和第二双凸透镜(5)均采用重冕系光学玻璃材质，第二平凹透镜(2)采用重钡火石系光学玻璃材质，第一双凸透镜(3)采用冕系光学玻璃材质，第一负弯月型透镜(4)和第二负弯月型透镜(9)均采用重火石系光学玻璃材质，第一双凹透镜(6)、第三双凸透镜(11)和第四双凸透镜(12)均采用氟冕系光学玻璃材质，第一正弯月型透镜(7)采用火石系光学玻璃材质，第一平凸透镜(8)重斓火石系光学玻璃材质，第三平凹透镜(10)采用斓火石系光学玻璃材质。

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