CN1892277A - 变焦投影镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变焦投影镜头，其可安装于投影显示装置中，该变焦投影镜头包括具有负屈光度的第一透镜组及具有正屈光度的第二透镜组，其中第一透镜组是由数个镜片组成，其靠近于像面安装并可沿光轴移动；第二透镜组是由数个镜片组成，其靠近于物面安装并可沿光轴移动；在第二透镜组的其中两相邻镜片之间还设置有一孔径光阑，其可随第二透镜组一起移动；该变焦投影镜头可以很好地校正像差，从而提高投影品质。

Description

变焦投影镜头

【技术领域】

本发明涉及一种变焦投影镜头，尤指一种可适用于投影装置的投影显示光学系统及影像撷取装置的影像撷取光学系统中的变焦投影镜头。

【背景技术】

投影机可以分为CRT(Cathode Ray Tube)投影机、LCD(Liquid CrystalDisplay)投影机、DLP(Digital Light Processing)投影机及LCoS(Liquid Crystalon Silicon)投影机，这些投影机均是利用光学投影的方式，将影像投射在大尺寸的屏幕上。例如，DLP投影机是以DMD(Digital Micormirror Device)作为光阀成像器，其成像原理是由DMD微镜装置的转动(±10°)控制光的反射方向，这样可控制该点讯号的通断，然后再通过光学透镜将DMD微镜装置上的成像投射到屏幕上。

由投影机投射的画面品质主要取决于投影机的关键投影成像组件，但第二个关键因素则在于投影镜头的类型。一般而言，单组镜片可以使得画面在中央区域显示很好，但是当光线和画面在屏幕的所有区域展开时，需要采用几组镜片才能使得在屏幕的边角处画面与中央区域保持一致。而且，若要在狭小的空间获取大画面时，需要选用配有广角镜头的投影机，这样就可以在很短的投影距离获得较大的投影画面尺寸；而在投影距离很远的情况下，如在电影院内投影时，要想获得合适大小的画面，就需要选择配有远焦镜头的投影机，这样就可以在较远的投影距离也能够获得合适的画面尺寸与品质。

有关投影镜头的设计已在美国专利第6,590,716号中有所揭示，该专利主要揭示了一种适合在投影机上使用的变焦投影镜头，其包括具有负屈光度的第一透镜组、具有正屈光度的第二透镜组、具有负屈光度的第三透镜组及具有正屈光度的第四透镜组，当该投影变焦镜头设置在广角倍率范围时，可以有效地抑制光斑的形成。但是，该变焦投影镜头是采用了四个透镜组来提高其投影品质，不但增加投影机的透镜成本，而且还影响投影机向小型化方向发展的趋势。

另一美国专利第5,619,381号是揭示了一种用于反射型光调制器的偏置变焦投影镜头，其包括有两组可移动的透镜组，分别是具有负屈光度的变焦距透镜组及具有正屈光度的补偿器组，且变焦距透镜组及补偿器组均至少各设置一消球差透镜，通过调整两透镜组之间的相对位置可以使得投影图像具有低失真和高分辨率的优点。但是，该专利仅对投影镜头的结构及功能做了大概的介绍，而对具体的设计条件及参数值则未做任何说明，因此还需要进一步研究以解决目前仍存在的像差问题。

【发明内容】

本发明的主要目的在于提供一种紧凑型的变焦投影镜头，其可以有效校正各种像差，提高成像品质。

本发明的另一目的在于提供一种具有变焦投影镜头的投影显示光学系统，该光学系统的结构小型化，并可以得到高品质的影像。

本发明的再一目的在于提供一种具有变焦投影镜头的影像撷取光学系统，该光学系统的结构小型化，并可以得到高品质的影像。

依据本发明的上述目的，本发明提供一种变焦投影镜头，其包括具有负屈光度的第一透镜组及具有正屈光度的第二透镜组，其中第一透镜组是由若干个镜片组成，其靠近于像面安装并可沿光轴移动；第二透镜组是由若干个镜片组成，其靠近于物面安装并可沿光轴移动；在第二透镜组的其中两相邻镜片之间还设置有一孔径光阑，其可随第二透镜组一起移动；该变焦投影镜头还需满足下列条件才可以很好地校正像差：

$-0.90<\frac{P2}{P1}<-0.78---\left(1\right)$

$-1.99<\frac{P1}{\mathrm{PF}}<-1.67---\left(2\right)$

$1.50<\frac{P2}{\mathrm{PF}}<1.55---\left(3\right)$

$0.58<\frac{\mathrm{PF}}{\mathrm{BF}}<0.68---\left(4\right)$

$5.37<\frac{\mathrm{TT}}{\mathrm{PF}}<5.82---\left(5\right)$

$3.40<\frac{\mathrm{TT}}{\mathrm{BF}}<3.80---\left(6\right)$

$-1.34<\frac{\mathrm{EX}}{\mathrm{BF}}<-1.13---\left(7\right)$

在上述条件(1)至(7)中，P1表示第一透镜组的屈光度；P2表示第二透镜组的屈光度；PF表示变焦投影镜头位于广角端时的焦距；BF表示变焦投影镜头位于广角端时的后焦距；TT表示变焦投影镜头位于广角端时的镜头总长；EX表示变焦投影镜头位于广角端时的出射瞳的位置。

上述第一、第二透镜组的各镜片是采用全球面玻璃硝材加工而成的。

在上述第二透镜组与物面之间还设置有一玻璃平板。

当将该变焦投影镜头安装于投影显示装置上时，物面是指该投影显示装置的成像器，而像面是指影像可投射于其上的屏幕。

当该变焦投影镜头使其从广角端向远摄端变化时，第一透镜组将从像面向物面移动，而第二透镜组将会从物面向像面移动，并且第一、二透镜组之间的相对距离缩小。

上述变焦投影镜头的焦距值F可以在21.333mm(W)～24.4907mm(M)～27.6359mm(T)之间变换，而有效口径FNO则可以在2.40(W)～2.57(M)～2.73(T)之间变换。

上述变焦投影镜头的焦距值F还可以在20.439mm(W)～21.852mm(M)～23.545mm(T)之间变换，而有效口径FNO则可以在2.61(W)～2.69(M)～2.78(T)之间变换。

上述变焦投影镜头的焦距值F还可以在23.700mm(W)～26.006mm(M)～28.523mm(T)之间变换，而有效口径FNO则可以在2.48(W)～2.59(M)～2.71(T)之间变换。

相较于现有技术，本发明变焦投影镜头是采用了具有负屈光度的第一透镜组及具有正屈光度的第二透镜组，可以达到结构紧凑的效果，而且由于本发明变焦投影镜头在设计时还满足了七个必要条件，像差可以得到很好的校正，从而提高投影品质。

【附图说明】

图1是本发明变焦投影镜头的第一实施例的结构示意图。

图2A至图2D是第一实施例的变焦投影镜头处于广角倍率状态时的纵向像差、横向色差、像场弯曲及MTF曲线示意图。

图3A至图3D是第一实施例的变焦投影镜头处于中间倍率状态时的纵向像差、横向色差、像场弯曲及MTF曲线示意图。

图4A至图4D是第一实施例的变焦投影镜头处于远摄倍率状态时的纵向像差、横向色差、像场弯曲及MTF曲线示意图。

图5是本发明变焦投影镜头的第二实施例的结构示意图。

图6A至图6D是第二实施例的变焦投影镜头处于广角倍率状态时的各像差曲线示意图。

图7A至图7D是第二实施例的变焦投影镜头处于中间倍率状态时的各像差曲线示意图。

图8A至图8D是第二实施例的变焦投影镜头处于远摄倍率状态时的各像差曲线示意图。

图9是本发明变焦投影镜头的第三实施例的结构示意图。

图10A至图10D是第三实施例的变焦投影镜头处于广角倍率状态时的各像差曲线示意图。

图11A至图11D是第三实施例的变焦投影镜头处于中间倍率状态时的各像差曲线示意图。

图12A至图12D是第三实施例的变焦投影镜头处于远摄倍率状态时的各像差曲线示意图。

【具体实施方式】

请参图1所示，本发明变焦投影镜头1可以安装于DLP投影机上，用来将DMD成像器上的影像投射至屏幕上，该变焦投影镜头1包括具有负屈光度的第一透镜组10及具有正屈光度的第二透镜组20，其中第一透镜组10是由若干个镜片组成，其安装于屏幕侧(如图1中所示的左侧)并可以在第一可变间距M1的范围内沿光轴移动，所谓的屏幕侧是指影像可投射于其上的一平面；第二透镜组20是由若干个镜片组成，其安装于像平面侧(如图1中所示的右侧)并可以在第二可变间距M2的范围内沿光轴移动，所谓的像平面侧是指DMD成像器(未图示)的安装位置。另有一孔径光阑30是位于第二透镜组20的两镜片21与22之间，并可随第二透镜组20一起移动。在第二透镜组20与成像器之间还安装有一玻璃平板40，用来改善变焦投影镜头1所接收到的影像效果。所述第一、第二透镜组10、20的各镜片是采用全球面玻璃硝材加工而成的，这样变焦投影镜头1具有耐高温的特性且温度变化对其性能影响较小。又因本发明变焦投影镜头1是采用了正透镜组(第二透镜组20)与负透镜组(第一透镜组10)的组合，因此可以使得整个变焦投影镜头的结构紧凑。

在图1中仅表示出变焦投影镜头1处于广角端时两透镜组的位置状况，当调节变焦投影镜头1使其从广角端(即广角倍率)向远摄端(即远摄倍率)变化时，第一透镜组10将从屏幕侧向像平面侧移动，而第二透镜组20将从像平面侧向屏幕侧移动，并且第一、二透镜组10、20之间的相对距离缩小。此外，当该变焦投影镜头1是应用在反射型的投影显示光学系统中时，例如DLP投影机，为提高投影质量，必须使得入射于反射型成像器(如：DMD成像器)上的入射光路和出射光路之间的间隔加大以形成隔离，这样可避免出射光路被其它光源干扰，同时也将使得该反射型的投影显示光学系统必须有足够长的后焦距，有关该后焦距的具体限定条件容后详述。

请参图5与图9所示的本发明变焦投影镜头1’、1”的第二、三实施例，其与第一实施例的变焦投影镜头1的不同之处仅在于：第一透镜组10’、10”与第二透镜组20’、20”的镜片数量及结构略有差异(如图1、图5及图9所示)，但是由三个实施例所揭示的变焦投影镜头均需满足下列条件才能够很好地校正各种像差：

$-0.90<\frac{P2}{P1}<-0.78---\left(1\right)$

$-1.99<\frac{P1}{\mathrm{PF}}<-1.67---\left(2\right)$

$1.50<\frac{P2}{\mathrm{PF}}<1.55---\left(3\right)$

$0.58<\frac{\mathrm{PF}}{\mathrm{BF}}<0.68---\left(4\right)$

$5.37<\frac{\mathrm{TT}}{\mathrm{PF}}<5.82---\left(5\right)$

$3.40<\frac{\mathrm{TT}}{\mathrm{BF}}<3.80---\left(6\right)$

$-1.34<\frac{\mathrm{EX}}{\mathrm{BF}}<-1.13---\left(7\right)$

上述表达式(1)至(7)中，P1表示第一透镜组的屈光度；P2表示第二透镜组的屈光度；PF表示变焦投影镜头位于广角端时的焦距；BF表示变焦投影镜头位于广角端时的后焦距；TT表示变焦投影镜头位于广角端时的镜头总长；EX表示变焦投影镜头位于广角端时的出射瞳的位置。

若上述有关变焦投影镜头1、1’及1”的性能指标(如：P1、P2、PF、BF、TT、EX)超过表达式(1)与(2)的下限时，由第二透镜组20、20’及20”所产生的像场弯曲及其它像差将会很大，以至于很难利用第一透镜组10、10’及10”将其校正；而若超过表达式(1)与(2)的上限时，第一透镜组10、10’及10”的移动幅度将会很大，因此将导致变焦投影镜头的总长过大。

若上述有关变焦投影镜头1、1’及1”的性能指标超过表达式(3)的下限时，第一透镜组10、10’及10”的移动幅度将会很大，因此将导致变焦投影镜头的总长过大；而若超过该表达式(3)的上限时，由第二透镜组20、20’及20”所产生的横向色差将会被过度校正。

若上述有关变焦投影镜头1、1’及1”的性能指标超过表达式(4)、(5)及(6)的上限时，位于广角端的整个变焦投影镜头的后焦距的移动辐度将会过大；而若超过表达式(4)、(5)及(6)的下限时，整个变焦投影镜头的屈光度会太低，从而影响其光学性能。

若上述有关变焦投影镜头1、1’及1”的性能指标超过表达式(7)的上限时，整个变焦投影镜头的屈光度会太低并影响其光学性能；而若超过表达式(7)的下限时，实质上整个变焦投影镜头将成为一远心变焦镜头。

事实上，由三个实施例所揭示的本发明变焦投影镜头1、1’及1”均形成了倒置的远摄结构，其中屏幕侧(即影像可投射在其上的平面)可作为一像面，而像平面侧(即显示装置表面，例如：DMD成像器)则可作为一物面。然而，在显示装置侧对变焦投影镜头的光学性能进行评估时，屏幕侧是被视为物面，而变焦投影镜头则被当作缩影光学系统(reduction optical systems，ROS)。

在第一实施例中，本发明变焦投影镜头1包括具有四个镜片的第一透镜组10、具有七个镜片的第二透镜组20及一玻璃平板40，各玻璃镜片的结构参数值可参照下表所示：

焦距值F＝21.333mm(W)～24.4907mm(M)～27.6359mm(T)
					有效口径FNO＝2.40(W)～2.57(M)～2.73(T)
表面序号	曲率半径(mm)(Radius)	厚度(mm)(Thickness)	折射率(Nd)	阿贝系数(Vd)
					R 1	81.7	4.46	1.58913	61.20

R2	∞	0.10
					R3	52.3	2.55	1.48749	70.21
R4	20.0	8.38
					R5	-172.4	1.60	1.83481	42.72
R6	26.4	10.52
					R7	40.3	9.60	1.84666	23.80
R8	85.81	15.961(W)～9.094(M)～3.813(T)
					R9	70.2	3.78	1.72916	54.68
R10	-70.2	0.10
					R11	36.6	2.61	1.83481	42.72
R12	158.9	3.00
					R13	-43	7.24	1.80440	39.58
R14	15.1	0
					R15	15.1	9.50	1.49700	81.61
R16	-106	0.10
					R17	26.2	3.44	1.83481	42.72
R18	-44.8	0.11
					R19	-139.4	0.90	1.68893	31.10
R20	18	1.73
					R21	67.7	2.02	1.80400	46.58
R22	-67.7	33.00(W)～35.92(M)～38.83(T)
					R23	∞	3.00	1.48749	70.41
R24	∞	0.50

上表中，W表示变焦投影镜头在广角倍率状态时的情况；M表示变焦投影镜头处于中间标准倍率状态时的情况；T表示变焦投影镜头在远摄倍率状态时的情况；表面序号R1至R24依次表示从屏幕侧至像平面侧的各镜片表面；厚度表示一镜片表面至相邻镜片表面的距离。依照上表数值进行设计，本发明变焦投影镜头1的各种像差可以得到有效校正，如图2A至图2D、图3A至图3D、图4A至图4D所示。

在第二实施例中，本发明变焦投影镜头1’包括具有四个镜片的第一透镜组10’、具有六个镜片的第二透镜组20’及一玻璃平板40’，各玻璃镜片的结构参数值可参照下表所示：

焦距值F＝20.439mm(W)～21.852mm(M)～23.545mm(T)
					有效口径FNO＝2.61(W)～2.69(M)～2.78(T)
表面序号	曲率半径(mm)(Radius)	厚度(mm)(Thickness)	折射率(Nd)	阿贝系数(Vd)
					R 1	105.9	3.1	1.72916	54.68
R2	∞	0.10
					R3	120.4	9.58	1.74950	35.30
R4	20.1	6.28
					R5	-149	1.40	1.49700	81.61
R6	30.3	9.93
					R7	39.0	8.05	1.84666	23.80
R8	71.2	11.216(W)～7.658(M)～3.955(T)
					R9	89.9	3.02	1.84666	23.80
R 10	-70.2	5.32
					R 11	28.7	2.44	1.83481	54.68
R 12	187.9	4.12
					R 13	-41.5	9.70	1.69895	30.10
R 14	28.8	5.12
					R 15	248.3	1.85	1.49700	81.61
R 16	-33.4	0.10
					R 17	34.4	0.80	1.67270	32.10
R 18	19.2	0
					R 19	19.2	3.38	1.49700	81.61
R20	-71.5	27.03(W)～28.31(M)～29.86(T)
					R21	∞	3.00	1.48749	70.41
R22	∞	0.50

上表中，表面序号R1至R22依次表示从屏幕侧至像平面侧的各镜片表面；厚度表示所述镜片表面至下一镜片表面的距离。依照上表数值进行设计，本发明变焦投影镜头1’的各种像差可以得到有效校正，如图6A至图6D、图7A至图7D、图8A至图8D所示。

在第三实施例中，本发明变焦投影镜头1”包括具有五个镜片的第一透镜组10”、具有八个镜片的第二透镜组20”及一玻璃平板40”，各玻璃镜片的结构参数值可参照下表所示：

焦距值F＝23.700mm(W)～26.006mm(M)～28.523mm(T)
					有效口径FNO＝2.48(W)～2.59(M)～2.71(T)
表面序号	曲率半径(mm)(Radius)	厚度(mm)(Thickness)	折射率(Nd)	阿贝系数(Vd)
					R 1	117.1	3.45	1.72916	54.68
R2	∞	0.10
					R3	92.5	2.66	1.69680	55.53
R4	22.2	10.81
					R5	-63.2	1.40	1.59270	35.30
R6	46.4	5.00
					R7	-85.8	7.51	1.83481	42.72
R8	-59	0.10
					R9	41.7	4.17	1.84666	23.80
R10	65.3	15.13(W)～8.62(M)～2.72(T)
					R11	56.9	3.27	1.83481	42.72
R12	2134.1	9.64
					R13	95.4	2.10	1.72916	54.68
R14	-181.9	0.10
					R15	36.8	1.85	1.72916	54.68
R16	87	2.04
					R17	-48.2	5.37	1.80440	39.58
R18	15.7	0
					R19	15.7	8.70	1.49700	81.61
R20	-87.8	0.36
					R21	25.7	3.56	1.83481	42.72
R22	-52.4	0.14
					R23	-308.3	0.80	1.64769	33.80
R24	17.0	2.30
					R25	87.2	1.71	1.48749	70.41

R26	-87.2	31.50(W)～33.56(M)～35.38(T)
					R27	∞	3.00	1.48749	70.41
R28	∞	0.50

上表中，表面序号R1至R28依次表示从屏幕侧至像平面侧的各镜片表面；厚度表示所述镜片表面与相邻镜片表面的距离。依照上表数值进行设计，本发明变焦投影镜头1”的各种像差可以得到有效校正，如图10A至图10D、图11A至图11D、图12A至图12D图所示。

本发明变焦投影镜头应用在DMD投影装置上，不仅可以使得DMD投影装置小型化，还可以提高装置性能，得到高品质的图像。此外，本发明变焦投影镜头还可以应用在其它的投影显示光学系统及影像撷取光学系统中，以提高这些光学系统的光学性能。

Claims (13)

1.一种变焦投影镜头，其包括具有负屈光度的第一透镜组及具有正屈光度的第二透镜组，其中第一透镜组是由若干个镜片组成，其靠近于像面安装并可沿光轴移动；第二透镜组是由若干个镜片组成，其靠近于物面安装并可沿光轴移动；在第二透镜组的其中两相邻镜片之间还设置有一孔径光阑，该孔径光阑可以随第二透镜组一起移动；其特征在于：变焦投影镜头需要满足下列条件：

$-0.90<\frac{P2}{P1}<-0.78...\left(1\right)$

$-1.99<\frac{P1}{\mathrm{PF}}<-1.67...\left(2\right)$

$1.50<\frac{P2}{\mathrm{PF}}<1.55...\left(3\right)$

$0.58<\frac{\mathrm{PF}}{\mathrm{BF}}<0.68...\left(4\right)$

$5.37<\frac{\mathrm{TT}}{\mathrm{PF}}<5.82...\left(5\right)$

$3.40<\frac{\mathrm{TT}}{\mathrm{BF}}<3.80...\left(6\right)$

$-1.34<\frac{\mathrm{EX}}{\mathrm{BF}}<-1.13...\left(7\right)$

在上述条件(1)至(7)中，P1表示第一透镜组的屈光度；P2表示第二透镜组的屈光度；PF表示变焦投影镜头位于广角端时的焦距；BF表示变焦投影镜头位于广角端时的后焦距；TT表示变焦投影镜头位于广角端时的镜头总长；EX表示变焦投影镜头位于广角端时的出射瞳的位置。

2.如权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于：第一、第二透镜组的各镜片系采用全球面玻璃硝材加工而成的。

3.如权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于：在第二透镜组与物面之间设置有一玻璃平板。

4.如权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于：当将该变焦投影镜头安装于投影显示装置上时，物面是指该投影显示装置的成像器，而像面是指影像可投射于其上的屏幕。

5.如权利要求1所述的变焦投影镜头，其特征在于：当该变焦投影镜头使其从广角端向远摄端变化时，第一透镜组将从像面向物面移动，而第二透镜组将会从物面向像面移动，并且第一、二透镜组之间的相对距离缩小。

6.如权利要求5所述的变焦投影镜头，其特征在于：该变焦投影镜头的焦距值F可以在21.333mm(W)～24.4907mm(M)～27.6359mm(T)之间变换，而有效口径FNO则可以在2.40(W)～2.57(M)～2.73(T)之间变换。

7.如权利要求5所述的变焦投影镜头，其特征在于：该变焦投影镜头的焦距值F可以在20.439mm(W)～21.852mm(M)～23.545mm(T)之间变换，而有效口径FNO则可以在2.61(W)～2.69(M)～2.78(T)之间变换。

8.如权利要求5所述的变焦投影镜头，其特征在于：该变焦投影镜头的焦距值F可以在23.700mm(W)～26.006mm(M)～28.523mm(T)之间变换，而有效口径FNO则可以在2.48(W)～2.59(M)～2.71(T)之间变换。

9.一种投影显示光学系统，其至少包括有一个可形成影像的成像器，其特征在于：在该投影显示光学系统中采用了一个如权利要求1至8中任意一项所述的变焦投影镜头。

10.如权利要求9所述的变焦投影镜头，其特征在于：成像器是反射型成像器。

11.如权利要求10所述的变焦投影镜头，其特征在于：成像器为DMD微镜装置。

12.如权利要求10所述的变焦投影镜头，其特征在于：变焦投影镜头具有较长的后焦距。

13.一种影像撷取光学系统，其特征在于：该影像撷取光学系统至少具有一个如权利要求1至8中任意一项所述的变焦投影镜头。

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