CN115793361B - 一种超短焦投影镜头及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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，所述折射系统包括至少1个非球面镜；反射系统包括自由曲面反射镜。本发明能够有效缩小体积。

Description

一种超短焦投影镜头及系统

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系统。

背景技术

随着投影显示正在逐步被应用到各行各业中，人们对其要求也在逐步提高；但目前因追求视场角大，背胶长，像质要求高等因素造成了市面上的短焦系统普遍都体积大、便携性差等，因此解决这一问题迫在眉睫。

在申请号：202120582095.8中公开了一种短焦镜头，其特征在于，包括壳体和安装于所述壳体的内腔且在光路折射投射方向上依次布置的一个折射透镜组及非球面反射镜，所述折射透镜组的中心轴线为短焦镜头的光轴；所述折射透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的：可在所述光轴方向前后移动的后群透镜组，所述后群透镜组的光焦度为正；中群透镜组，所述中群透镜组的光焦度为负；在所述光轴方向固定设置的前群透镜组，所述前群透镜组的光焦度为负。该技术方案中记载“短焦镜头的总长度在159-165mm之间”。尺寸较大，鉴于此，故提出本申请。

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，所述折射系统包括至少1个非球面镜；反射系统包括自由曲面反射镜。

所述折射系统的总长度为L1，所述折射系统和反射系统之间的间距为L2，所述镜头的等效焦距长为F1，所述折射系统的等效焦距长为F2,所述反射系统的等效焦距长为F3，所述镜头的后工作距离为BFL；其中，0.2<L1/L2<1.7、1.5<|F2/F1|<7、2<|F3/F1|<7、0.05<BFL/(L1+L2)<0.5。折射系统和反射系统产生正的屈光度。通过上述参数要求，有效缩小镜头体积。

优选的，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、具有正光焦度的第五透镜、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、具有负光焦度的第八透镜、具有负光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜。

优选的，所述第二透镜、第三透镜、第四透镜组合为三胶合透镜。

优选的，所述第七透镜、第八透镜组合为双胶合透镜，所述第七透镜的阿贝数为60-70，所述第八透镜阿贝数为45-55。

优选的，所述第二透镜、第四透镜的阿贝数为50-80。

优选的，所述第三透镜的厚度为0.5-2mm。

优选的，所述第八透镜、第九透镜的阿贝数均小于65。

优选的，所述第九透镜、第十透镜均为塑胶非球面镜。

优选的，所述第七透镜的为弯月型，所述第八透镜为双凹型。

本发明还公开了一种投影系统，任意一项所述的超短焦投影镜头、光阀。

本发明带来的有益效果是：

折射系统和反射系统产生正的屈光度。通过让0.2<L1/L2<1.7、1.5<|F2/F1|<7、2<|F3/F1|<7、0.05<BFL/(L1+L2)<0.5，有效缩小镜头体积。

光学系统中透镜的光焦度会直接影响到像散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差，因此不同的正负光焦度搭配也会对像差校正起到一定作用。因此所述透镜的光焦度分别为正、正、负、正、正、正、正、负、负、正。

第二透镜、第四透镜的阿贝数值选取的尽可能相近。本实施例中，第四透镜的阿贝数为64.2。

由于第四透镜分配正光焦度，选择阿贝数在50-80 范围材料，可以有效降低材料对蓝光的吸收，提高镜头效率。第三透镜分配负光焦度，并选用折射率更大的材料，通过对三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。通常情况下，折射率越高，对蓝光的吸收越厉害，光透过率会降低，所以第三透镜的厚度需要设计上控制在0.5-2mm, 本实施例中，所述第三透镜的厚度为1mm，抑制透过率的降低。

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，在反射系统和折射系统之间进行第一次成像，光束形成会聚点一次即为一次成像，第一次成像经自由曲面反射镜后，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。

本发明技术方案整体机构紧凑，通过折射系统、反射系统及合理的材料搭配实现了高分辨率的成像质量的同时，通过折返系统，有效的将整个系统的体积大幅度缩减，同时对成本及可加工性方面均有较大提升。

本发明方案能够在实现短距离投射大画面的同时实现高分辨率的投影成像质量。

本发明采用折反混合系统，反射系统应用曲面反射从而达到缩短投影距离的效果，折射系统采用的单、双胶合透镜搭配减小畸变的同时提高成像质量，在光阀之后的出光处没有添加转折棱镜，能够达到减小出光处能量损失，提高光学系统的亮度、减小重量、降低成本的目的。

附图说明

图1为本发明公开的成像整体效果图；

图2为本发明公开畸变图；

图3为本发明公开的成像画面上不同视场条件下的光斑spot点；

图4为本发明公开的光线mtf图；

图5为本发明公开的相对照度图。

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5，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，所述折射系统包括至少1个非球面镜；反射系统包括自由曲面反射镜11。

所述折射系统的总长度为L1，所述折射系统和反射系统之间的间距为L2，所述镜头的等效焦距长为F1，所述折射系统的等效焦距长为F2,所述反射系统的等效焦距长为F3，所述镜头的后工作距离为BFL；其中，0.2<L1/L2<1.7、1.5<|F2/F1|<7、2<|F3/F1|<7、0.05<BFL/(L1+L2)<0.5;以满足镜头超短焦特性。

本技术方案中，折射系统和反射系统产生正的屈光度。通过上述参数要求，有效缩小镜头体积。

作为上述实施例的进一步改进，在一个实施方式中，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、具有正光焦度的第五透镜5、具有正光焦度的第六透镜6、孔径光阑12、具有正光焦度的第七透镜7、具有负光焦度的第八透镜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。折射系统总的光焦度为正。光学系统中透镜的光焦度会直接影响到像散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差，因此不同的正负光焦度搭配也会对像差校正起到一定作用。因此所述透镜的光焦度分别为正、正、负、正、正、正、正、负、负、正。

作为上述实施例的进一步改进，在一个实施方式中，所述第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4组合为三胶合透镜。三胶合透镜主要对光学镜头中的轴向色差、垂轴色差进行校正。三胶合透镜为核心元件，其进行像差校正的同时，合理地选用玻璃材料及光焦度分配会对像差及可加工性进行有效平衡，三胶合透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。

作为上述实施例的进一步改进，在一个实施方式中，所述第二透镜2、第四透镜4的阿贝数为50-80。

第二透镜2、第四透镜4的阿贝数值选取的尽可能相近。本实施例中，第四透镜4的阿贝数为64.2，所述第二透镜2的阿贝数为81.5。

由于第四透镜4分配正光焦度，选择阿贝数在50-80 范围材料，可以有效降低材料对蓝光的吸收，提高镜头效率。第三透镜3分配负光焦度，并选用折射率更大的材料，通过对三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。通常情况下，折射率越高，对蓝光的吸收越厉害，光透过率会降低，所以第三透镜3的厚度需要设计上控制在 0.5-2mm, 本实施例中，所述第三透镜3的厚度为1mm，抑制透过率的降低。

本实施例中，第五透镜5折射率取值1.90, 阿贝数31.42。

作为上述实施例的进一步改进，在一个实施方式中，所述第七透镜7、第八透镜8组合为双胶合透镜，所述第七透镜7的阿贝数为60-70，所述第八透镜8阿贝数为45-55。双胶合透镜主要对光学镜头中的轴向色差、垂轴色差进行校正。

作为上述实施例的进一步改进，在一个实施方式中，所述第八透镜8、第九透镜9的阿贝数均小于65。

第七透镜7、第八透镜8组成双胶合透镜，其中第八透镜8、第九透镜9的阿贝数Vd值<65,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，第七透镜7、第八透镜8的阿贝数Vd值分别取值在64.2、40.2，作为上述实施例的进一步改进，在一个实施方式中，所述第七透镜7的为弯月型，所述第八透镜8为双凹型。

通过将第七透镜7、第八透镜8设计为弯月和双凹的负光焦度配合，对第五透镜5，第六透镜6对像差有进一步的校正作用。

作为上述实施例的进一步改进，在一个实施方式中，所述第九透镜9、第十透镜10均为塑胶非球面镜。所述第九透镜9为塑胶非球面镜，用的折射率和阿贝数都比较适中的材料，主要作用是进一步平衡像差和提高成像质量。

第十透镜10为塑胶非球面镜，完成收光并进一步使用非球面校正像差和提高成像质量。

本实施例中所使用的各透镜的具体参数表。

在另一个实施例中还公开了一种投影系统，包括上述所述的超短焦投影镜头、光阀13。光阀13为DMD芯片或LCos芯片，光阀13为光调制元件，光阀用于提供映像光束。光阀面到第一透镜的距离即镜头的后工作距离，记为 BFL。

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，在反射系统和折射系统之间进行第一次成像，光束形成会聚点一次即为一次成像，第一次成像经自由曲面反射镜后，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。

本发明技术方案整体机构紧凑，通过折射系统、反射系统及合理的材料搭配实现了高分辨率的成像质量的同时，通过折返系统，有效的将整个系统的体积大幅度缩减，同时对成本及可加工性方面均有较大提升。

本实施例中，光阀像素面相对光轴的偏移量满足关系式：110%<offset<150%。

在投影镜头的投影画面为25寸时，其自由曲面反射镜距离屏幕的直线距离与投影画面的长度直线关系：投影距离/屏幕长度尺寸 ≤ 0.26，即投射比。

本实施例的结构参数满足如下条件：

长度为133mm，偏移量为107%<offset<150%，解像力为93lp/mm，投射画面为20—40英寸，透射比为0.2 -0.26。

图2为投影系统成像画面的TV畸变示意图，从图中示意数据可看到，当投影画面为25寸时，其TV畸变最大值为0.2%，本领域通常要求＜0.5%即可。

图3是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4是光线mtf图，图中所示为三种波长光线（0.45um、0.55um、0.62um）不同要求下的成像质量，其中横坐标代表的线对数，纵坐标代表的是解像能力，其中纵坐标的值越高，代表解像能力越强，像质还原度约高，当mtf大于0.5时，代表成像质量非常清晰。

图5是相对照度图，图中横坐标代表的是视场高度，纵坐标代表相对照度，相对照度指的是不同视场位置的亮度与中心亮度的比值，其中相对照度的值越靠近1，这代表整体的亮度分布越均匀。本实施例的边缘相对照度大于0.8，且中心到边缘的相对照度过度比较平滑，因此不会出现投影边缘有肉眼可见的暗角。

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 (5)

1.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，所述折射系统包括至少1个非球面镜；反射系统包括自由曲面反射镜；

所述折射系统的总长度为L1，所述折射系统和反射系统之间的间距为L2，所述镜头的等效焦距长为F1，所述折射系统的等效焦距长为F2,所述反射系统的等效焦距长为F3，所述镜头的后工作距离为BFL；其中，0.2<L1/L2<1.7、1.5<|F2/F1|<7、2<|F3/F1|<7、0.05<BFL/(L1+L2)<0.5；

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、具有正光焦度的第五透镜、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、具有负光焦度的第八透镜、具有负光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜；

所述第二透镜、第三透镜、第四透镜组合为三胶合透镜，所述第四透镜的阿贝数为64.2，所述第二透镜的阿贝数为81.5；所述第三透镜3的厚度为1mm；

所述第七透镜、第八透镜组合为双胶合透镜，所述第七透镜的阿贝数为60-70，所述第八透镜阿贝数为45-55。

2.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第八透镜、第九透镜的阿贝数均小于65。

3.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第九透镜、第十透镜均为塑胶非球面镜。

4.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第七透镜的为弯月型，所述第八透镜为双凹型。

5.一种投影系统，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项所述的超短焦投影镜头、光阀。

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