CN115657275A

CN115657275A - 一种超短焦投影镜头及投影系统

Info

Publication number: CN115657275A
Application number: CN202211587569.3A
Authority: CN
Inventors: 徐航宇; 李文艳; 郭跃武; 雷禄; 孙波
Original assignee: Yipu Photoelectric Tianjin Co ltd
Current assignee: Yipu Photoelectric Tianjin Co ltd
Priority date: 2022-12-12
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2042-12-12
Also published as: CN115657275B

Abstract

本发明公开了一种超短焦投影镜头及投影系统，包括沿着影像光束入射传输的方向依次排布的折射系统和反射系统，所述折射系统和反射系统位于同一光轴；所述折射系统用于将进入所述折射系统的影像光束折射至所述反射系统中；所述反射系统用于将进入所述反射系统的影像光束反射成像至外界的投影屏幕，其中，所述反射系统包括反射镜。本发明方案能够短距离投射大画面，并具备更低光阀偏置量偏置量，实现高分辨率的投影成像质量。

Description

一种超短焦投影镜头及投影系统

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，尤其涉及一种超短焦投影镜头及投影系统。

背景技术

投影显示市场广阔，但是镜头作为投影显示中的核心技术之一，从设计到加工难度都比较高，尤其是在保证像质的前提下同时兼顾成本与小型化，是镜头设计中的一大难点，并为了进一步提升产品性能(比如产品亮度)，因此设计出更低的光阀偏置量的镜头，进一步提升产品性能成为一大难点。

目前超短焦投影镜头采用的技术方案，使用折反混合系统，反射系统段应用曲面反射可以缩短投影距离，为了避免出射光线高度和结构的干涉问题，光阀偏置量都比较大，通常在140%-150%之间；大的光阀偏置量会让从镜头出射的光线角度比较大，在漫射屏反射回的光线高度偏高，影响产品的亮度。

在中国专利申请号：CN202010404526.1中公开了一种投影镜头，包括：振镜，以及沿着影像光束入射传输的方向依次排布的折射系统和反射系统，所述振镜与所述折射系统位于所述反射系统的同侧；所述振镜用于对影像光束进行偏移处理；所述折射系统用于将进入所述折射系统的影像光束折射至所述反射系统中；所述反射系统用于将进入所述反射系统的影像光束反射成像至投影屏幕。该技术方案即存在上述所说的问题，光线高度偏高，影响产品的亮度。

发明内容

为解决背景技术中存在的至少一个方面的技术问题，本发明提出一种超短焦投影镜头及投影系统。

本发明提出的一种超短焦投影镜头，包括沿着影像光束入射传输的方向依次排布的折射系统和反射系统，所述折射系统和反射系统位于同一光轴；所述折射系统用于将进入所述折射系统的影像光束折射至所述反射系统中；所述反射系统用于将进入所述反射系统的影像光束反射成像至外界的投影屏幕，其中，所述反射系统包括反射镜，所述反射镜包括沿着影像光束入射传输的方向依次排布第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面，所述第一自由曲面、第三自由曲面均为投射表面，所述第二自由曲面为反射表面。

优选地，所述反射镜为自由曲面棱镜，折射率为1-2。

优选地，所述折射系统包括沿着影像光束入射传输的方向依次排布的：具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜、具有负光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、孔径光阑、具有正光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜、具有负光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜、具有正光焦度的第十一透镜、具有负光焦度的第十二透镜、具有负光焦度的第十三透镜；

所述反射镜具有正光焦度。

优选地，所述第二透镜、第三透镜组合为第一双胶合透镜；所述第四透镜、第五透镜、第六透镜组合为三胶合透镜；所述第八透镜、第九透镜组合为第二双胶合透镜；所述第十三透镜为塑胶非球面透镜。

优选地，所述第二透镜、第四透镜的阿贝数为50-70。

优选地，所述第五透镜的厚度为0.5-2mm，折射率为2.05,阿贝数为26.9。

优选地，所述第八透镜、第九透镜的阿贝数小于65，所述第八透镜为弯月型透镜；第九透镜为双凹透镜。

优选地，所述折射系统、反射镜具有正屈光度；所述折射系统的总长度为L1；所述折射系统与反射镜的间距为L2，其中，4.5<L1/L2<6.4。

优选地，所述镜头的等效焦距长为F1，折射系统的等效焦距长为F2,反射镜的等效焦距长F3,且满足条件式：1<|F2/F1|<4；1<|F3/F1|<5。

一种投影系统，包括任意一项所述的超短焦投影镜头，还包括：光阀、TIR全反射棱镜、影像偏置镜，TIR全反射棱镜、影像偏置镜依次布置于光阀和折射系统之间，其中，所述光阀与折射系统之间的间距为BFL，并符合条件式:0.3<BFL/(L1+L2)<0.8。

本发明带来的有益效果是：

本发明方案能够短距离投射大画面，并具备更低光阀偏置量偏置量，实现高分辨率的投影成像质量。

附图说明

图1为本发明的整体效果图；

图2为本发明公开的结构示意图；

图3为本发明公开的光线光扇图；

图4为图3中上层图形的放大示意图；

图5为图3中中层图形的放大示意图；

图6为图3中下层图形的放大示意图；

图7为本发明公开的光斑图；

图8为图7中上层图形的放大示意图；

图9为图7中中层图形的放大示意图；

图10为图7中下层图形的放大示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互的结合；下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“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位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是成一体；可以是机械连接，也可以是传动连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介的间接连接，也可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。

参照图1-图10，本发明提出的一种超短焦投影镜头，包括沿着影像光束入射传输的方向依次排布的折射系统和反射系统，所述折射系统和反射系统位于同一光轴；所述折射系统用于将进入所述折射系统的影像光束折射至所述反射系统中；所述反射系统用于将进入所述反射系统的影像光束反射成像至外界的投影屏幕，其中，所述反射系统包括反射镜14，所述反射镜14包括沿着影像光束入射传输的方向依次排布第一自由曲面141、第二自由曲面142、第三自由曲面143，所述第一自由曲面141、第三自由曲面143均为投射表面，所述第二自由曲面142为反射表面。

反射镜14为自由曲面棱镜，放置于折射系统后方，用以折反光线，降低光阀的偏置量和缩小镜头的体积。

所述反射镜14为自由曲面棱镜，折射率为1-2，本实施例中为1.5，由于距离孔径光阑15较远，视场较大，增加非球面可极大减小系统畸变像差。通过第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面对光线偏折角度进行矫正，可以很大程度降低光线的光阀偏置量和缩小镜片的大小。

所述折射系统包括沿着影像光束入射传输的方向依次排布的：具有正光焦度的第一透镜1、具有正光焦度的第二透镜2、具有负光焦度的第三透镜3、具有正光焦度的第四透镜4、具有负光焦度的第五透镜5、具有正光焦度的第六透镜6、孔径光阑15、具有正光焦度的第七透镜7、具有正光焦度的第八透镜8、具有负光焦度的第九透镜9、具有正光焦度的第十透镜10、具有正光焦度的第十一透镜11、具有负光焦度的第十二透镜12、具有负光焦度的第十三透镜13；所述反射镜14具有正光焦度。

折射系统的总的光焦度为正光焦度，自由曲面棱镜同样为正光焦度。

所述第二透镜2、第三透镜3组合为第一双胶合透镜；所述第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6组合为三胶合透镜；所述第八透镜8、第九透镜9组合为第二双胶合透镜；所述第十三透镜13为塑胶非球面透镜。

第一双胶合透镜、三胶合透镜、第二双胶合透镜对镜头的颜色像差校正起到关键性作用。具体的，三胶合透镜、第一双胶合透镜、第二双胶合透镜则主要对光学镜头中的轴向色差、垂轴色差进行校正。

所述第二透镜2、第四透镜4的阿贝数为50-70。本实施例为58.6.

三胶合镜镜主要用于校正色差，宜选用阿贝数相差较大的材料进行搭配。同时由于第四透镜4分配正光焦度，选择阿贝数在5-70范围材料，可以有效降低材料对蓝光的吸收，提高镜头效率。

第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12为球面透镜。

第五透镜5分配负光焦度，并选用折射率更大的材料，通过对五透镜的高折射率负光焦度进行中和，减小镜头的球差、彗差、像散等像差。本实施例中，第五透镜5的厚度为0.5-2mm，折射率为2.05,阿贝数为26.9。

所述第八透镜8、第九透镜9的阿贝数为小于65，所述第八透镜8为弯月型透镜；第九透镜9为双凹透镜。这样选值的原因是镜头剩余色差较小，需要选取阿贝数比较接近的材料进行搭配。实际应用中，第八透镜8和第九透镜9的阿贝数分别取值47.8、50.2，通过将第八透镜8和第九透镜9设计为弯月型和双凹的负光焦度配合，对第十透镜10凸正光焦度产生正负色差来实现有效的校正作用。

第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12用于完成收光并用于配合第十三非球面校正畸变和近轴的像差。

所述折射系统、反射镜14具有正屈光度；所述折射系统的总长度为L1，即第一透镜1和第十三透镜13之间的间距；所述折射系统与反射镜14的间距为L2，其中，4.5<L1/L2<6.4，以缩小体积。

所述镜头的等效焦距长为F1，折射系统的等效焦距长为F2,反射镜14的等效焦距长F3,且满足条件式：1<|F2/F1|<4；1<|F3/F1|<5。

本实施例结构参数满足如下条件：有效焦距为1.502mm，偏移量为大于107%小于150%，解像力为93lp/mm，投射画面为90—120英寸，透射比为0.2-0.25。

一种投影系统，包括所述的超短焦投影镜头，还包括：光阀16、TIR全反射棱镜17、影像偏置镜18，TIR全反射棱镜17、影像偏置镜18依次布置于光阀16和折射系统之间，其中，所述光阀16与折射系统之间的间距为BFL，并符合条件式:0.3<BFL/(L1+L2)<0.8。光阀为DMD芯片或LCos芯片，光阀为光调制元件。TIR全反射棱镜，用于提高光阀进入镜头的光线的亮度和对比度。

本实施例为一个二次成像架构，光阀的像素面为物面，光阀反射光束通过折射系统后，在自由曲面棱镜和折射系统之间进行第一次成像，第一次成像经自由曲面棱镜的第二曲面反射后，在屏幕上形成二次无畸变的图像，进行了二次成像，在投影屏幕上显示大尺寸的投影图像。

本实施例整体机构紧凑，通过孔径光阑、球面透镜、三胶合透镜、第一双胶合透镜、第二双胶合透镜、反射镜以及合理的材料搭配实现了高分辨率的成像质量的同时，在镜头的折射系统和反射镜之间加入了二次反射的构造，有效的将近轴的光线抬高到了光轴的上方，将镜头的光阀偏置量大大的降低到了110%以下，同时让镜头在体积、成本及可加工性方面均有较大提升。

图3为成像画面上不同视场条件下的光斑spot点，图中示意为在归一化的不同视场条件前提下，三种不同波长光线（0.45um、0.55um、0.62um）分别在某一视场条件下屏幕上的点光斑成像示意图。

图7所示为三种波长光线（0.45um、0.55um、0.62um）在归一化的各个视场条件下与主波长光线分别在x轴和y轴的之间的像差值。其10个图表分别表示归一化的10个视场；每个视场中的两个图表分别为投影系统中以光轴为中心对称的x轴和y轴；每个图表中的横轴方向为该视场条件下的光瞳高度位置，纵轴方向为各个波长光线与主光线之间的误差。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超短焦投影镜头，其特征在于，包括沿着影像光束入射传输的方向依次排布的折射系统和反射系统，所述折射系统和反射系统位于同一光轴；所述折射系统用于将进入所述折射系统的影像光束折射至所述反射系统中；所述反射系统用于将进入所述反射系统的影像光束反射成像至外界的投影屏幕，其中，所述反射系统包括反射镜，所述反射镜包括沿着影像光束入射传输的方向依次排布第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面，所述第一自由曲面、第三自由曲面均为投射表面，所述第二自由曲面为反射表面；

所述折射系统包括沿着影像光束入射传输的方向依次排布的：具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜、具有负光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、孔径光阑、具有正光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜、具有负光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜、具有正光焦度的第十一透镜、具有负光焦度的第十二透镜、具有负光焦度的第十三透镜；

所述反射镜具有正光焦度。

2.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述反射镜为自由曲面棱镜，折射率为1-2。

3.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第二透镜、第三透镜组合为第一双胶合透镜；所述第四透镜、第五透镜、第六透镜组合为三胶合透镜；所述第八透镜、第九透镜组合为第二双胶合透镜；所述第十三透镜为塑胶非球面透镜。

4.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第二透镜、第四透镜的阿贝数为50-70。

5.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第五透镜的厚度为0.5-2mm，折射率为2.05,阿贝数为26.9。

6.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第八透镜、第九透镜的阿贝数小于65，所述第八透镜为弯月型透镜；第九透镜为双凹透镜。

7.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述折射系统、反射镜具有正屈光度；所述折射系统的总长度为L1；所述折射系统与反射镜的间距为L2，其中，4.5<L1/L2<6.4。

8.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述镜头的等效焦距长为F1，折射系统的等效焦距长为F2,反射镜的等效焦距长F3,且满足条件式：1<|F2/F1|<4；1<|F3/F1|<5。

9.一种投影系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的超短焦投影镜头，还包括：光阀、TIR全反射棱镜、影像偏置镜，TIR全反射棱镜、影像偏置镜依次布置于光阀和折射系统之间，其中，所述光阀与折射系统之间的间距为BFL，并符合条件式:0.3<BFL/(L1+L2)<0.8。