CN116107063A - 一种超短焦投影镜头及投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出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，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

近年来，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(比如产品清晰度)，因此设计出更低的光阀偏置、更小的投射比镜头，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是折反混合系统，折射系统保证成像质量，反射系统缩短投影距离，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，同时，为了追求更为清晰的成像质量，光学系统投射比均在0.2以上，整个系统的体积相对较大。

发明内容

有鉴于此，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。

一种超短焦投影镜头，包括沿着影像光束入射传输方向依次排布的折射系统和反射系统；

所述折射系统包括沿着光束入射传输方向依次排布的：第一透镜，第二透镜，第三透镜，第四透镜，第五透镜，第六透镜，第七透镜，第八透镜，孔径光阑，第九透镜，第十透镜，第十一透镜，第十二透镜，第十三透镜，第十四透镜，第十五透镜；

其中，所述第一透镜为单玻璃球面镜；第二透镜为玻璃非球面透镜；第三、四透镜、第五透镜组合为一个三胶合透镜；第六透镜为单玻璃球面镜；第七透镜、第八透镜组合为一个双胶合透镜；所述第九透镜为玻璃球面镜；第十透镜、第十一透镜组合为一个双胶合透镜，所述第十二透镜、第十三透镜组合为一个双胶合透镜；第十四透镜、第十五透镜为塑胶非球面透镜；

所述反射系统包括第十六透镜，为自由曲面棱镜。

优选地，所述折射系统和所述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。

优选地，所述折射系统总的光焦度为正光焦度，所述第十六透镜为正光焦度；其中所述折射系统从第一透镜至第十五透镜的光焦度依次为正、正、正、负、正、正、负、正、正、正、负、正、负、负、负。

优选地，所述折射系统和所述反射系统产生正的屈光度，折射系统的总长度为L1，所述折射系统和所述第十六透镜之间的间距为L2，其中：0.5<L1/L2<2.5。

优选地，所述投影镜头的等效焦距长为F1，所述折射系统的等效焦距长为F2，所述第十六透镜的等效焦距长F3，其中：2<|F2/F1|<8，3<|F3/F1|<11。

优选地，所述第三透镜、第五透镜阿贝数取值范围为60-80。

优选地，所述第四透镜的厚度为0.5-2mm，折射率取值2.05，阿贝数26.9。

优选地，所述第七透镜为双凹型透镜，阿贝数取值为29.1；所述第八透镜为弯月型透镜，阿贝数取值为51.1。

本发明还提供一种超短焦投影成像系统，包括前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，所述光阀与第一透镜之间的间距为BFL，并符合条件式：0.05<BFL/(L1+L2)<0.5。

优选地，所述光阀用于提供映像光束，所述光阀采用DMD芯片或LCOS芯片。

本发明方案能够短距离投射大画面，并具备更低偏置量，更小投射比，实现高分辨率的投影成像质量，具体而言，有益效果在于：

1） 低的光阀偏置量，光阀偏置量可以实现115%；

2） 体积小，镜头全长仅为66.9mm，且透镜的最大口径为32mm；

3） 成本低，镜头架构使用了12个球面透镜、一个玻璃非球面、2个塑料非球面和一个自由曲面棱镜实现，非球面采用更低成本的350R；

4） 投射比小，投射比可做到0.18。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对本发明或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为超短焦投影成像光路示意图；

图2为超短焦投影系统的结构示意图；

图3为投影系统成像画面的TV畸变示意图；

图4为成像画面上不同视场条件下的点光斑成像示意图；

图5为光线扇面图；

图6为光线mtf曲线图；

图7为光线相对照度图。

附图标记：

1、第一透镜，2、第二透镜，3、第三透镜，4、第四透镜，5、第五透镜，6、第六透镜，7、第七透镜，8、第八透镜，9、第九透镜，10、第十透镜，11、第十一透镜，12、第十二透镜，13、第十三透镜，14、第十四透镜，15、第十五透镜，16、第十六透镜，17、光阀，18、TIR全反射棱镜，19、影像偏置镜，20、孔径光阑。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括这些要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

另外，下述各方法实施例中的步骤时序仅为一种举例，而非严格限定。

本发明提出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；所述折射系统包括至少1个非球面镜；所述反射系统由自由曲面棱镜构成；

如图1所示，给出了超短焦投影成像光路示意图，图2为超短焦投影镜头所在的超短焦投影系统的结构示意图。

所述折射系统包括沿着光束入射传输的方向依次排布的：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，孔径光阑20，第九透镜9，第十透镜10，第十一透镜11，第十二透镜12，第十三透镜13，第十四透镜14，第十五透镜15。

具体的，折射系统从光阀17到孔径光阑20方向为镜组前半部分，从孔径光阑20到第十五透镜15为镜组后半部分。其中，所述第一透镜1为单玻璃球面镜；第二透镜2为玻璃非球面透镜；第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5组合为一个三胶合透镜；第六透镜6为单玻璃球面镜；第七透镜7、第八透镜8组合为一个双胶合透镜；所述第九透镜9为玻璃球面镜；所述第十透镜10、第十一透镜11组合为一个双胶合透镜，所述第十二透镜12、第十三透镜13组合为一个双胶合透镜；第十四透镜14、第十五透镜15为塑胶非球面透镜。

所述反射系统包括第十六透镜16，为自由曲面棱镜。

折射系统中所有透镜与反射系统中透镜均为同一光轴；其中双胶合透镜、三胶合透镜对系统的颜色像差校正起到关键性作用。具体的，三胶合透镜、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。

在折射镜组系统中，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，其中第五透镜的阿贝数或色散系数Vd值选取的尽可能同第三透镜3阿贝数相近60-80，实际应用中取值比如为62.091。

同时由于第三透镜3、第五透镜5分配正光焦度，选择阿贝数在60-80范围材料，可以有效降低材料对蓝光的吸收，提高镜头效率。第四透镜4分配负光焦度，并选用折射率更大的材料，通过对第四透镜4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），所以在设计时，第四透镜4的厚度需要控制在0.5-2mm，抑制透过率的降低，实际应用中第四透镜4折射率取值2.05，阿贝数26.9；

第七透镜7、第八透镜8组成双胶合透镜，由于此系统DMD尺寸较大，所以经过前面部分光学镜头对色差平衡后，整个部分还剩余较大的色差，因此第七透镜7/第八透镜8的Vd值选取差异较大的材料进行搭配。实际应用中，第七透镜7和第八透镜8的Vd值分别取值在29.1，51.1，通过将第七透镜7、第八透镜8设计为双凹和弯月的负光焦度配合，对第九透镜9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组成双胶合透镜，其中第十透镜10、第十一透镜11的Vd值<50，且这两个透镜的阿贝数比较接近，这样做的原因是经过前面两轮像差的平衡后，镜头所剩的像差较少。

第十二透镜12、第十三透镜13或称为前群群组，完成收光并用于配合第十四透镜14、第十五透镜15非球面校正畸变和近轴的像差。

其中第十六透镜16为自由曲面棱镜，采用折射率nd值在1.5左右的塑胶材料。由于该透镜距离光阑较远，视场较大，增加非球面可极大减小系统畸变像差。通过前两个塑料非球面与自由曲面棱镜对光线偏折角度进行矫正，可以很大程度降低光线的偏置量、减小投射比、缩小透镜的大小。

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。本发明中折射系统总的光焦度为正光焦度，第十六透镜同样为正光焦度；其中折射系统从第一至第十五透镜的光焦度依次为正、正、正、负、正、正、负、正、正、正、负、正、负、负、负。

在具体实施中，折射系统和反射系统产生正的屈光度（正的屈光度是能够成像的基本条件），折射系统的总长度为L1（从第一透镜1至第十五透镜15的距离），折射系统和反射系统之间的间距为L2，并符合条件式：0.5<L1/L2<2.5，以缩小体积。

在具体实施中，投影镜头的等效焦距长为F1，折射系统的等效焦距长为F2，反射系统的等效焦距长F3，且满足条件式：2<|F2/F1|<8；3<|F3/F1|<11；

在具体实施中，光阀17到第一透镜1的距离即镜头的后工作距离，记为BFL，并符合条件式：0.05<BFL/(L1+L2)<0.5；以满足镜头超短焦特性。

本发明技术方案为一个二次成像架构，光阀17的像素面为物面，光阀17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，第一次成像经第十六透镜16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。

本发明技术方案整体机构紧凑，通过光阑、球面透镜、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，有效的将近轴的光线抬高到了光轴的上方，将镜头的偏置量大大的降低到了120%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。

参见图2，本发明还提供一种超短焦投影成像系统，包括前述的超短焦投影镜头，还包括：光阀17、TIR全反射棱镜18、影像偏置镜19，其中，TIR全反射棱镜18、影像偏置镜19依次布置于光阀17和折射系统之间，其中，所述光阀17与第一透镜1之间的间距为BFL，并符合条件式：0.05<BFL/(L1+L2)<0.5，以满足镜头超短焦特性。

本投影镜头的投影画面为100寸时，其反射镜距离屏幕的直线距离与投影画面的长度直线关系，即投射比：投影距离/屏幕长度尺寸≤0.18。

所述光阀17用于提供映像光束，光阀17采用DMD芯片或LCOS芯片，光阀17为光调制元件，在光阀17和所述投影镜头系统之间还具有TIR全反射棱镜18，用于提高光阀17进入镜头的光线的亮度和对比度。

在本发明的一个具体实施例中，超短焦投影镜头系统结构参数满足如下条件：有效焦距（EFL）=1.755mm，光阀17像素面相对光轴的偏移量满足关系式：115%<offset<150%，解像力为93lp/mm，投射画面为90-120英寸，透射比为0.17-0.18。图3-图6均为该实施例中相关像质评价图表。

图3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100寸时，其TV畸变最大值为0.31%（通常要求＜0.5%）。

图4为成像画面上不同视场条件下的点光斑成像示意图，即spot点图，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5为光线扇面图，表示光学系统的综合误差，它的横坐标是光学系统的入瞳标量，因此总是从－1到＋1之间，纵坐标是针对主光线（发光点直穿光阑中心点的那条光线）在像面上的位置的相对数值。图中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镜头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。

图6为光线mtf曲线图，mtf是使用反差对比的概念来检定镜头的解像力。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，其中横坐标代表的是空间频率，纵坐标代表的是mtf值，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值大于0.5时，代表成像质量非常清晰。

图7为光线相对照度图，即成像中心照度与外围照度的比值，相对照度过低表现为图像中心较亮，而四周较暗，即渐晕现象，俗称暗角（Shading）。相对照度过低还会导致色彩失真。当RI<50%时人眼是能分辨的，严重时会出现画面四角全黑的“缺角”现象。RI数值越高，则相对照度的均匀性越好。因此相对照度RI的基本要求为：RI>0.5，图中相对照度RI>0.5，显示出本发明的投影系统良好的均匀性。

本发明中的镜头方案，打破原有反射系统的光路分布，采用不同的三胶合透镜和双胶合透镜及其他单透镜的组合，在实现低的光阀偏置量的同时实现了低投射比，用较低的成本和复杂度实现镜头性能方面的提升。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

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方向依次排布的折射系统和反射系统；

所述折射系统包括沿着光束入射传输方向依次排布的：第一透镜，第二透镜，第三透镜，第四透镜，第五透镜，第六透镜，第七透镜，第八透镜，孔径光阑，第九透镜，第十透镜，第十一透镜，第十二透镜，第十三透镜，第十四透镜，第十五透镜；

其中，所述第一透镜为单玻璃球面镜；第二透镜为玻璃非球面透镜；第三透镜、第四透镜、第五透镜组合为一个三胶合透镜；第六透镜为单玻璃球面镜；第七透镜、第八透镜组合为一个双胶合透镜；所述第九透镜为玻璃球面镜；第十透镜、第十一透镜组合为一个双胶合透镜，所述第十二透镜、第十三透镜组合为一个双胶合透镜；第十四透镜、第十五透镜为塑胶非球面透镜；

所述反射系统包括第十六透镜，为自由曲面棱镜。

2.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述折射系统和所述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，在外界的投影屏幕上显示。

3.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述折射系统总的光焦度为正光焦度，所述第十六透镜为正光焦度；其中所述折射系统从第一透镜至第十五透镜的光焦度依次为正、正、正、负、正、正、负、正、正、正、负、正、负、负、负。

4.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述折射系统和所述反射系统产生正的屈光度，折射系统的总长度为L1，所述折射系统和所述第十六透镜之间的间距为L2，其中：0.5<L1/L2<2.5。

5.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的等效焦距长为F1，所述折射系统的等效焦距长为F2，所述第十六透镜的等效焦距长F3，其中：2<|F2/F1|<8，3<|F3/F1|<11。

6.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第三透镜、第五透镜阿贝数取值范围为60-80。

7.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第四透镜的厚度为0.5-2mm，折射率取值2.05，阿贝数26.9。

8.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第七透镜为双凹型透镜，阿贝数取值为29.1；所述第八透镜为弯月型透镜，阿贝数取值为51.1。

9.一种超短焦投影成像系统，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，所述光阀与第一透镜之间的间距为BFL，并符合条件式：0.05<BFL/(L1+L2)<0.5。

10.根据权利要求9所述的超短焦投影成像系统，所述光阀用于提供映像光束，所述光阀采用DMD芯片或LCOS芯片。

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