CN204731481U - 一种用于投影显示的不失焦光学广角镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于投影显示的不失焦光学广角镜头，在较宽温度范围实现不失焦，同时投影画质清晰细腻。该镜头主要包括从投影屏幕方到显示芯片方依次的第一镜组、第二镜组和TIR棱镜，第一镜组与第二镜组之间设置有孔径光阑；第一镜组和第二镜组的所有镜片分为无色光学玻璃镜片和无色光学塑料镜片；第一镜组中的前三片镜片整体的光焦度为负，并且其中至少有一片为塑料非球面透镜；第二镜组的前四片镜片中至少有一片为塑料非球面透镜，前四片镜片中的其他镜片至少有部分镜片构成胶合透镜零件，胶合透镜零件的光焦度为负；无色光学玻璃折射率n1满足1.4＜n1＜1.95，无色光学塑料折射率n2满足1.5＜n2＜1.6。

Description

一种用于投影显示的不失焦光学广角镜头

技术领域

本实用新型涉及一种用于投影显示的光学镜头结构。

背景技术

一般情况下，投影显示画面时，随着内部热量的累积，会导致热离焦，具体表现为图像变模糊，其根源是构成镜头的光学镜片和金属件热胀导致尺寸变化，此时实际像面和显示器件(如LCD、LCOS、DMD)将不再重合。

目前解决这一问题的常用方法有三种：

1.人为调节镜头，以目视判断清晰与否；

2.给投影机内置的电机通过遥控器发送驱动指令调节镜头，以目视判断清晰与否；

3.给投影机上安装一个摄像头可以实时监控投影画面的清晰程度，如果图像变模糊，由软件计算出镜头需要调节移动量，然后发送指令驱动电机。软件实时处理摄像头拍摄画面计算并判断图像是否清晰，如果不清晰，直到调整清晰位置。

上述三种解决方案的实质是通过调整镜头与显示器件之间的轴向距离，达到投影画面清晰的目的。

不足之处：

第一种方案：人为调节，客户体验满意度降低。

第二种方案：遥控器和电机可能会失效，会导致客户体验满意度降低。

第三种方案：相对第二种方案可靠性更低，摄像头、软件和电机有可能会失效，导致客户体验满意度降低。

采用光学无热化技术也可以解决热离焦的问题，即在光学设计的过程中合理选择透镜材料和透镜隔圈材料，在宽温度范围内保证不失焦。目前主要采用玻璃透镜和金属隔圈材料的合理搭配，实现光学无热化。但是，这种方案仍有不足之处，如镜片数量较多、光学系统体积较大、制作成本、安装维护成本较高，因此市场反映效果不甚理想。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种用于投影显示的不失焦光学广角镜头，在较宽温度范围实现不失焦，同时投影画质清晰细腻。

本实用新型的技术解决方案是：

用于投影显示的不失焦光学广角镜头，包括从投影屏幕方到显示芯片方依次的第一镜组、第二镜组和TIR棱镜，第一镜组与第二镜组之间设置有孔径光阑；第一镜组和第二镜组的所有镜片分为无色光学玻璃和无色光学塑料两种材质；第一镜组中的前三片镜片整体的光焦度为负，并且其中至少有一片为塑料非球面透镜；第二镜组的前四片镜片中至少有一片为塑料非球面透镜，前四片镜片中的其他镜片至少有部分镜片构成胶合透镜零件，胶合透镜零件的光焦度为负；所述无色光学玻璃折射率n1满足1.4＜n1＜1.95，无色光学塑料折射率n2满足1.5＜n2＜1.6。

基于以上基本解决方案，本实用新型再进一步作如下优化设计：

第二镜组的最后一片透镜的后表面与TIR棱镜的前表面之间的轴向距离为2--3mm。

第一镜组，从投影屏幕方到显示芯片方依次为负光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜、负光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、正光焦度的第五透镜、负光焦度的第六透镜；

第二镜组，从投影屏幕方到显示芯片方依次为负光焦度的第七透镜、正光焦度的第八透镜、负光焦度的第九透镜、负光焦度的第十透镜、正光焦度的第十一透镜。其中，第七透镜、第八透镜和第九透镜组合成三胶合镜片组；

TIR棱镜为平面光学元件,利用全反射原理使得照明光束和工作光束有效分离。

第一透镜、第二透镜和第六透镜为弯曲向投影屏幕方的凹透镜，第三透镜为双凹透镜，第四透镜和第五透镜为双凸透镜；第七透镜为弯曲向投影屏幕方的凹透镜，第八透镜和第十一透镜为双凸透镜，第九透镜为双凹透镜，第十透镜与第七透镜的弯曲方向相反。

第一透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十一透镜为采用无色光学玻璃制作而成的球面透镜；

第二透镜和第十透镜为采用无色光学塑料制作而成的双面非球面透镜。

TIR棱镜为无色光学玻璃制作而成的平板元件。

各个镜片之间间隔的热膨胀系数为23.6μm/mk。

本实用新型具有以下优点：

1、在同等技术指标要求的情况下，本实用新型采用塑料非球面技术，相对于全玻璃透镜，可以有效减少镜片的个数和光学系统体积，有效地提高了光学系统光学透过率，使得投影亮度提升；同时，塑料非球面透镜，可采用模压制作，在批量生产的情况下，镜头的成本会更低。

2、该镜头的光学结构还具有简单紧凑、高分辨率和广角低畸变的优点。

附图说明

图1为实施例的光学结构示意图；

图2MTF-40℃；

图3象散、场曲和畸变-40℃；

图4MTF20℃；

图5象散、场曲和畸变20℃；

图6MTF60℃；

图7象散、场曲和畸变60℃。

具体实施方式

如图1所示，本实施例采用11片透镜，其中无色光学玻璃透镜9片、无色光学塑料非球面透镜2片。从投影屏幕方到显示芯片方依次有第一镜组、第二镜组和TIR棱镜。本实施例所述的第一镜组1从投影屏幕方到显示芯片方依次排列有负光焦度的第一透镜01，负光焦度的第二透镜02，负光焦度的第三透镜03，正光焦度的第四透镜04，正光焦度的第五透镜05和负光焦度的第六透镜06。其中，第一透镜01、第二透镜02和第六透镜06为弯曲向投影屏幕方的凹透镜，第三透镜03为双凹透镜，第四透镜和第五透镜为双凸透镜。所述的第二镜组3从投影屏幕方到显示芯片依次排列有负光焦度的第七透镜07、正光焦度的第八透镜08、负光焦度的第九透镜09、负光焦度的第十透镜10和正光焦度的第十一透镜11，其中第七透镜07为弯曲向投影屏幕方的凹透镜，第八透镜08和第十一透镜11为双凸透镜，第九透镜09为双凹透镜，第十透镜10与第七透镜07的弯曲方向相反，第七透镜07、第八透镜08和第九透镜09采用光学胶胶合成三胶合镜片组。所述TIR棱镜12位于第十一透镜11和显示芯片13之间。显示芯片13位于TIR棱镜12之后，垂直于光轴偏置放置。孔径光阑2位于第一镜组和第二镜组之间，垂直于光轴放置。

第一透镜01、第二透镜02、第三透镜03组成一个透镜组，即整个光学系统的前三片，该组光焦度为负，包含不少于一片塑料非球面透镜；第七透镜07、第八透镜08、第九透镜09、第十透镜10组成一个透镜组，即孔径光阑2后面的四片透镜，包含不少于一片塑料非球面透镜和胶合透镜零件(所谓胶合透镜是指用光学胶水将两个或者多个光学透镜胶合在一起)。

第一透镜01、第三透镜03、第四透镜04、第五透镜05、第六透镜06、第七透镜07、第八透镜08、第九透镜09和第十一透镜11为采用无色光学玻璃制作而成的球面透镜。

第二透镜02和第十透镜10为采用无色光学塑料制作而成的双面非球面透镜。

TIR棱镜12为无色光学玻璃制作而成的平板元件。

显示芯片13是反射式数字微镜阵列或者LCOS或者LCD。

为了使得镜头满足足够的工作距离，该不失焦光学广角镜头应满足2≤BFL≤3，其中BFL指的是第十一透镜11后表面与TIR棱镜12的靠近第十一透镜表面之间的轴向距离。

本实用新型中，镜头的工作范围为-40℃--﹢60℃，为了校正不同温度下焦面位置漂移量至一倍焦深范围内，所采用的无色光学玻璃折射率n1满足1.4＜n1＜1.95，所采用的无色光学塑料折射率n2满足1.5＜n2＜1.6。光学透镜之间间隔的热膨胀系数为23.6μm/mk。

镜头参数：

焦距：9.5mm

FNO：1.6

全视场角：80°

适用温度范围：-40℃--﹢60℃

各镜片半径、中心厚度，空气间隔厚度，透镜材料折射率Index如下：

ASPH表示非球面，表达式如下：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4+{\mathrm{\α}}_3{r}^6+{\mathrm{\α}}_4{r}^8+{\mathrm{\α}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\α}}_6{r}^{12}$

z-非球面深度r-高度c-曲率半径k、α1、α2、α3、α4、α5、α6-非球面系数

面3：

k＝-82.704、α1＝0、α2＝0.00013729707、α3＝-1.1368402e-006、α4＝6.1286321e-009α5＝-2.1321e-011、α6＝3.0516586e-014

面4：

k＝-4.789、α1＝0、α2＝0.00025222361、α3＝-2.2450589e-006、α4＝1.042226e-008α5＝-4.2271926e-001、α6＝8.0883144e-014

面19：

k＝-0.714、α1＝0、α2＝-3.8366186e-005、α3＝-3.7112024e-007、α4＝1.7353185e-008α5＝-1.6267129e-010、α6＝1.0209439e-012

面20：

k＝-1.364、α1＝0、α2＝7.081189e-006、α3＝-3.5229143e-007、α4＝9.0245012e-009α5＝-6.5714571e-011、α6＝2.5942657e-013

Claims (7)

1.一种用于投影显示的不失焦光学广角镜头，其特征在于：包括从投影屏幕方到显示芯片方依次的第一镜组、第二镜组和TIR棱镜，第一镜组与第二镜组之间设置有孔径光阑；第一镜组和第二镜组的所有镜片分为无色光学玻璃镜片和无色光学塑料镜片；

第一镜组中的前三片镜片整体的光焦度为负，并且其中至少有一片为塑料非球面透镜；第二镜组的前四片镜片中至少有一片为塑料非球面透镜，前四片镜片中的其他镜片至少有部分镜片构成胶合透镜零件，胶合透镜零件的光焦度为负；

所述无色光学玻璃折射率n1满足1.4＜n1＜1.95，无色光学塑料折射率n2满足1.5＜n2＜1.6。

2.根据权利要求1所述的用于投影显示的不失焦光学广角镜头，其特征在于：第二镜组的最后一片透镜的后表面与TIR棱镜的前表面之间的轴向距离为2--3mm。

3.根据权利要求1所述的用于投影显示的不失焦光学广角镜头，其特征在于：

所述第一镜组，从投影屏幕方到显示芯片方依次为负光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜、负光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、正光焦度的第五透镜、负光焦度的第六透镜；

所述第二镜组，从投影屏幕方到显示芯片方依次为负光焦度的第七透镜、正光焦度的第八透镜、负光焦度的第九透镜、负光焦度的第十透镜、正光焦度的第十一透镜。其中，第七透镜、第八透镜和第九透镜组合成三胶合镜片组；

所述TIR棱镜为平面光学元件,利用全反射原理使得照明光束和工作光束有效分离。

4.根据权利要求3所述的用于投影显示的不失焦光学广角镜头，其特征在于：第一透镜、第二透镜和第六透镜为弯曲向投影屏幕方的凹透镜，第三透镜为双凹透镜，第四透镜和第五透镜为双凸透镜；第七透镜为弯曲向投影屏幕方的凹透镜，第八透镜和第十一透镜为双凸透镜，第九透镜为双凹透镜，第十透镜与第七透镜的弯曲方向相反。

5.根据权利要求4所述的用于投影显示的不失焦光学广角镜头，其特征在于：

第一透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十一透镜为采用无色光学玻璃制作而成的球面透镜；

第二透镜和第十透镜为采用无色光学塑料制作而成的双面非球面透镜。

6.根据权利要求4所述的用于投影显示的不失焦光学广角镜头，其特征在于：TIR棱镜为无色光学玻璃制作而成的平板元件。

7.根据权利要求1至6任一所述的用于投影显示的不失焦光学广角镜头，其特征在于：各个镜片之间间隔的热膨胀系数为23.6μm/mk。