CN205003348U - 一种用于投影仪的变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于投影仪的变焦光学系统，属于成像技术领域；包括由物方至像方依次排列的具有负屈光度的第一透镜组、具有正屈光度的第二透镜组和具有正屈光度的第三透镜组；第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组在变焦过程中相对于接收面的位置是变化的；变焦投影透镜的广角F数小于2.1，可以扩大孔径光阑的直径去增加系统的光学效率；此外，由于大孔径光阑，球面透镜可以减小阿贝数；本实用新型通过透镜组相对位置的变化实现放大率及后截距的改变，减小了像面位置变化对成像质量的影响。

Description

一种用于投影仪的变焦光学系统

技术领域

本实用新型属于成像技术领域，尤其是一种用于投影仪的变焦光学系统。

背景技术

目前，阴极射线显示正逐渐被液晶显示、数字光处理等更亮更薄的投影设备替代，尤其是数字光处理，已经占据显示背投电视市场的半壁江山。

在数字光处理中,非电系统的主光线不平行于光轴，主光线进入变焦透镜之前会产生一个预定的角度，这个角度会使投影到屏幕上的像产生向上的变形以满足前面投影仪的需求，降低了成像质量。

由于不同光源对成像质量的影响不同，综合考虑成本与F数的因素，许多工程师着力于设计一个变焦投影透镜，不仅能使用不同的光源还能保持高光效。专利号为US8817383的发明专利就是针对这一问题而设计的，本实用新型就是对其的改进与优化设计。

实用新型内容

针对现有技术中存在不足，本实用新型提供了一种用于投影仪的变焦光学系统，既能够使用不同的光源，又能保持高光效。

本实用新型是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用于投影仪的变焦光学系统，其特征在于，包括由物方至像方依次排列的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组分别具有负、正、正屈光度；

所述第一透镜组由塑料非球面的第一透镜、双凹玻璃球面的第二透镜和凸面玻璃的第三透镜由物方至像方依次排列组成，所述第二透镜组由凸面玻璃的第四透镜组成，所述第三透镜组包括具有负屈光度的第五透镜、正屈光度的第六透镜、正屈光度的第七透镜、正屈光度的第八透镜、负屈光度的第九透镜和正屈光度的第十透镜。

进一步，所述第一透镜的负弯月面朝向像方；

进一步，所述第五透镜与第六透镜构成具有负折射力的胶合透镜。

进一步，所述第三透镜组中还设有光阑，所述光阑位于所述第八透镜和第九透镜之间。

在上述方案中，所述变焦光学系统广角F数小于2.1。

进一步，所述变焦光学系统满足以下条件：

其中ex是出瞳的位置；bf是系统的后焦距；

其中f₁是第一透镜组的焦距，f_ω是广角端的有效焦距；

其中f₂是第二透镜组的焦距，f_ω是广角端的有效焦距；

其中f₃是第三透镜组的焦距，f_ω是广角端的有效焦距；

其中f_L1是第一透镜的焦距，f_ω是广角端的有效焦距；

其中f_A是第八透镜的焦距，f₃是第三透镜组的焦距；

其中V₁是第五透镜的消光系数；V₂是第六透镜的消光系数。

本实用新型的有益效果：

1.通过减小变焦光学系统的F数，增大孔径光阑的直径，从而提高投影仪的光学效率。

2.选用非球面透镜，在大孔径光阑作用作用的同时减小阿贝数。

3.通过透镜组相对位置的变化实现放大率及后截距的改变，减小了像面位置变化对成像质量的影响，从而满足不同光源的成像需求。

4.通过对系统参数的限制，可以起到增加变焦比、减小系统总长、校正像差、提高分辨率等优异效果。

附图说明

图1为本实用新型所述的用于投影仪的变焦光学系统的结构示意图。

图2为本实用新型的变焦过程示意图。

图3为本实用新型的广角端的场曲图。

图4为本实用新型的中间焦段的场曲图。

图5为本实用新型的摄远端的场曲图。

图6为本实用新型的广角端MTF曲线图。

图7为本实用新型的中间焦段MTF曲线图。

图8为本实用新型的摄远端MTF曲线图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。

如图1为于投影仪的变焦光学系统的结构示意图，包括由物方至像方依次排列的第一透镜组1、第二透镜组2和第三透镜组3，所述第一透镜组1、第二透镜组2、第三透镜组3分别具有负、正、正屈光度；

所述第一透镜组1由塑料非球面的第一透镜11、双凹玻璃球面的第二透镜12和凸面玻璃的第三透镜13由物方至像方依次排列组成，所述第二透镜组2由凸面玻璃的第四透镜21组成，所述第三透镜组3包括具有负屈光度的第五透镜31、正屈光度的第六透镜32、正屈光度的第七透镜33、正屈光度的第八透镜34、负屈光度的第九透镜和正屈光度的第十透镜。

第一透镜11的负弯月面朝向像方，减小了变焦投影透镜的总长，同时校正球差，并可以减少透镜数量；第五透镜与第六透镜构成具有负折射力的胶合透镜；玻璃球面第八透镜也可以减小变焦系统总长，校正球差，并减少系统透镜数。

如图2为变焦过程示意图，从广角端到中间焦段，再到摄远端的变焦过程，在这一变焦过程中，后截距逐渐增大，第一透镜组1沿光轴相向移动，以实现改变放大倍率；第二透镜组2沿光轴向物方移动适当补偿在放大倍率变化过程中发生的焦点位置的移动；第三透镜组保持绝对位置不变。表1为具体光学参数，其中最大半像高为13.85，广角端，中间焦段，及摄远端的F数分别为2.0、2.217、2.428。表2为变焦位置参数。

表1光学参数

表面编号	表面类型	Y半径	厚度	折射率	阿贝数	折射模式	Y半孔径
								物面	球面	无限	无限			折射	无限
S1	非球面	69.4854	4.230	1.535	54.60	折射	25
								S2	非球面	26.8811	12.4378			折射	22
S3	球面	-171.6002	1.5000	1.620	36.26	折射	20
								S4	球面	36.4345	10.8326			折射	20
S5	球面	55.8973	4.7800	1.847	23.78	折射	20
								S6	球面	176.6671	变量1			折射	20
S7	球面	47.2638	6.3100	1.806	40.92	折射	17
								S8	球面	-855.7316	变量2			折射	17
S9	球面	-44.2655	0.8000	1.699	30.13	折射	10.3048
								S10	球面	23.6155	4.8200	1.497	81.55	折射	10.4305
S11	球面	163.5353	1.2213			折射	10.7135
								S12	球面	32.5707	5.5000	1.729	54.68	折射	11.0371
S13	球面	-104.1062	2.3085			折射	10.8590
								光阑	球面	无限	0.1000			折射	10.7648
S15	非球面	42.6017	6.9800	1.804	40.48	折射	10.5774
								S16	非球面	-85.8150	0.1000			折射	9.7011
S17	球面	1499.7632	0.7000	1.593	35.31	折射	9.2740
								S18	球面	22.0383	2.9316			折射	8.5633
S19	球面	-300.8635	3.5900	1.497	81.55	折射	8.3193
								S20	球面	-51.9826	30.7536			折射	8.1397
像面	球面	无限	0.0000				15

表2变焦位置参数

系统中的非球面表面形状满足以下方程：

$z=\frac{{\mathrm{cy}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{y}^2}}+A_4{y}^4+A_6{y}^6+A_8{y}^8+A_{10}{y}^{10}+A_{12}{y}^{12}+A_{14}{y}^{14}+A_{16}{y}^{16}$

在公式中，参数c半径所对应曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数。当k小于-1时面形曲线为双曲，等于-1时为抛物线，介于-1到0之间时为椭圆，等于0时为圆形，大于0时为扁圆形。A₄至A₈分别表示各径向坐标所对应的系数，其系数见表3。

表3径向坐标对应系数

本实用新型的变焦投影透镜的广角F数是小于2.1的，这意味着它可以增大孔径光阑的直径，以增大系统的光透过率。

为了达到更好的光学成像效果，本实用新型还满足以下限制：

(1)其中ex是出瞳的位置；bf是系统的后焦距；

(2)其中f₁是第一透镜组的焦距，f_ω是广角端的有效焦距；

(3)其中f₂是第二透镜组的焦距，f_ω是广角端的有效焦距；

(4)其中f₃是第三透镜组的焦距，f_ω是广角端的有效焦距；

(5)其中f_L1是第一透镜的焦距，f_ω是广角端的有效焦距；

(6)其中f_A是第八透镜的焦距，f₃是第三透镜组的焦距；

(7)其中V₁是第五透镜的消光系数；V₂是第六透镜的消光系数。

如果变焦投影系统满足方程(1)，将会增大系统的后焦距，从而增加从广角端到摄远端的变焦比。如果变焦投影系统满足方程(2)到方程(6)，将会减小系统总长并校正像差。如果变焦投影系统满足方程(7)，也可以校正像差。如果变焦投影系统满足方程(5)到方程(7)，将会增大像的分辨率。通过第一透镜组与第二透镜组之间的间隔以及第三透镜组到像面间的间隔，可以补偿像的低质量。

如图3、图4、图5分别为广角端、中间焦段、摄远端的场曲图，从图中可以看出，有利的校正了各种像差，全场畸变适中，像散和纵向球差都在很小范围内，达到了优良的光学性能。

如图6、图7、图8分别为广角端、中间焦段、摄远端的MTF曲线图，MTF是变焦光学系统设计最重要的指标之一，定义MTF大于0，且小于1，在光学系统设计中MTF值越接近1，说明镜头的性能越优异，即分辨率高，反差小。从图中可以看出，在其最大频率范围内MTF的值均在0.4以上，且三种状态下的曲线都比较平滑，说明本实用新型在三种状态下都可获得清晰的图像，且图像质量良好。

所述实施例为本实用新型的优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于投影仪的变焦光学系统，其特征在于，包括由物方至像方依次排列的第一透镜组(1)、第二透镜组(2)和第三透镜组(3)，所述第一透镜组(1)、第二透镜组(2)、第三透镜组(3)分别具有负、正、正屈光度；

所述第一透镜组(1)由塑料非球面的第一透镜(11)、双凹玻璃球面的第二透镜(12)和凸面玻璃的第三透镜(13)由物方至像方依次排列组成，所述第二透镜组(2)由凸面玻璃的第四透镜(21)组成，所述第三透镜组(3)包括具有负屈光度的第五透镜(31)、正屈光度的第六透镜(32)、正屈光度的第七透镜(33)、正屈光度的第八透镜(34)、负屈光度的第九透镜(35)和正屈光度的第十透镜(36)。

2.如权利要求1所述的用于投影仪的变焦光学系统，其特征在于，所述第一透镜(11)的负弯月面朝向像方。

3.如权利要求2所述的用于投影仪的变焦光学系统，其特征在于，所述第五透镜(31)与第六透镜(32)构成具有负折射力的胶合透镜。

4.如权利要求3所述的用于投影仪的变焦光学系统，其特征在于，所述第三透镜组中还设有光阑，所述光阑位于所述第八透镜(34)和第九透镜(35)之间。

5.如权利要求1～4中任意一项所述的用于投影仪的变焦光学系统，其特征在于，所述变焦光学系统广角F数小于2.1。

6.如权利要求5所述的用于投影仪的变焦光学系统，其特征在于，所述变焦光学系统满足以下条件：

其中ex是出瞳的位置；bf是系统的后焦距；

其中f₁是第一透镜组的焦距，f_ω是广角端的有效焦距；

其中f₂是第二透镜组的焦距，f_ω是广角端的有效焦距；

其中f₃是第三透镜组的焦距，f_ω是广角端的有效焦距；

其中f_L1是第一透镜的焦距，f_ω是广角端的有效焦距；

其中f_A是第八透镜的焦距，f₃是第三透镜组的焦距；

其中V₁是第五透镜的消光系数；V₂是第六透镜的消光系数。