CN205982805U - 一种大光圈小体积高像素变焦投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，包括发光芯片，发光芯片一侧设有相对其固定的第一透镜组，第一透镜组与发光芯片之间设有能相对发光芯片移动而完成投影光学系统对焦的第二透镜组，第二透镜组与发光芯片之间依次设有能同时相对发光芯片移动而完成投影光学系统变倍的第三透镜组、光阑、第四透镜组和第五透镜组，第五透镜组与发光芯片之间还设有棱镜，其中，第一透镜组的光焦度φ₁为负，第二透镜组的光焦度φ₂为负，第三透镜组的光焦度φ₃为正，第四透镜组的光焦度φ₄为正，第五透镜组的光焦度φ₅为正。本实用新型结构简单，光圈大，体积小，像素高，能够同步变焦、微距对焦、高温共焦及高像素变焦。

Description

一种大光圈小体积高像素变焦投影光学系统

【技术领域】

本实用新型涉及一种投影光学系统，更具体地说是一种大光圈小体积高像素变焦投影光学系统。

【背景技术】

目前投影机用的变焦距投影光学系统普遍存在这样的缺点：分辨率偏低，在变焦过程中不能够实现同步变焦，即镜头在变倍过程中需要调整对焦群画面才能清晰，而且对焦范围小，高温虚焦，体积大、放大倍率小等等。目前市场上还没有镜头能够同时克服上述缺点，只有少数镜头，只能在某一方面进行改善，但却要牺牲镜头其它性能指标，比如为了实现同步变焦，就得增加投影光学系统体积；为了实现较近的对焦距离、就得将投影光学系统复杂化；为了高温共焦，就得采用玻璃镜片，从而导致分辨率变低；为了提高投影放大倍率，就得降低投影画面亮度等，这些远远不能满足市场上对投影镜头投影清晰度、体积小型化、在变倍过程中无需对焦、高温不虚焦等要求，目前市场上还没有克服以上全部缺点的变焦投影镜头。

因此，本实用新型正是基于以上的不足而产生的。

【实用新型内容】

本实用新型目的是克服了现有技术的不足，提供一种结构简单，光圈大，体积小，像素高，能够同步变焦、微距对焦、高温共焦及高像素变焦的投影光学系统。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，其特征在于：包括发光芯片100，所述的发光芯片100一侧设有相对其固定的第一透镜组10，所述的第一透镜组10与发光芯片100之间设有能相对发光芯片100移动而完成投影光学系统对焦的第二透镜组20，所述的第二透镜组20与发光芯片100之间依次设有能同时相对发光芯片100移动而完成投影光学系统变倍的第三透镜组30、光阑200、第四透镜组40和第五透镜组50，所述的第五透镜组50与发光芯片100之间还设有棱镜60，其中，所述的第一透镜组10的光焦度φ₁为负，所述的第二透镜组20的光焦度φ₂为负，所述的第三透镜组30的光焦度φ₃为正，所述的第四透镜组40的光焦度φ₄为正，所述的第五透镜组50的光焦度φ₅为正。

如上所述的大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，其特征在于：所述的第一透镜组10的光焦度φ₁满足：-0.07≤φ₁≤-0.03；所述的第二透镜组20的光焦度φ₂满足：-0.03≤φ₂≤-0.01；所述的第三透镜组30的光焦度φ₃满足：0.02≤φ₃≤0.05；所述的第四透镜组40的光焦度φ₄满足：0.01≤φ₄≤0.04；所述的第五透镜组50的光焦度φ₅满足：0.02≤φ₅≤0.04。

如上所述的大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，其特征在于：所述的第一透镜组10包括第一镜片1和设在第一镜片1与发光芯片100之间的第二镜片2；所述的第二透镜组20包括第三镜片3；所述的第三透镜组30包括第四镜片4；所述的第四透镜组40包括第五镜片5；所述的第五透镜组50包括从第一透镜组10至发光芯片100方向依次设置的第六镜片6、第七镜片7、第八镜片8和第九镜片9。

如上所述的大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，其特征在于：所述的第二镜片2为塑胶非球面透镜，所述的第五镜片5和第九镜片9均为玻璃非球面镜片，所述的第一镜片1、第三镜片3、第四镜片4、第六镜片6、第七镜片7、第八镜片8均为玻璃球面透镜。

如上所述的大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，其特征在于：所述的第六镜片6和第七镜片7为粘合在一起的胶合镜片组。

如上所述的大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，其特征在于：所述的第二镜片2、第五镜片4和第九镜片9的非球面的表面形状满足以下方程：

在公式中，参数c为半径所对应的曲率，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系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；a₁至a₈分别表示各径向坐标所对应的系数。

与现有技术相比，本实用新型有如下优点：

1、本实用新型在同一投影距离完成对焦后，能够实现在变倍过程中无需再次对焦并能保证全程投影画面清晰，在从低倍到高倍的整个变倍过程中都能实现近距离到无穷远范围内清晰投影。

2、本实用新型分辨率非常高，在变倍过程中可保持整个画面清晰，并且投影画面对比度高。

3、本实用新型在同一投影距离，并在高温状态下清晰度可保持不变，无需对焦。

【附图说明】

图1是本实用新型示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本实用新型作进一步描述：

一种大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，包括发光芯片100，所述的发光芯片100一侧设有相对其固定的第一透镜组10，所述的第一透镜组10与发光芯片100之间设有能相对发光芯片100移动而完成投影光学系统对焦的第二透镜组20，所述的第二透镜组20与发光芯片100之间依次设有能同时相对发光芯片100移动而完成投影光学系统变倍的第三透镜组30、光阑200、第四透镜组40和第五透镜组50，其中，所述的第一透镜组10的光焦度φ₁为负，所述的第二透镜组20的光焦度φ₂为负，所述的第三透镜组30的光焦度φ₃为正，所述的第四透镜组40的光焦度φ₄为正，所述的第五透镜组50的光焦度φ₅为正。第三透镜组30、第四透镜组40和第五透镜组50均为正透镜组，并且采用第三透镜组30、第四透镜组40和第五透镜组50同步移动的方式进行变倍，使得投影光学系统在变倍过程中第三透镜组30、第四透镜组40、第五透镜组50整体的焦平面位置均在第一透镜组10和第二透镜组30整组的共轭位置上，实现像面不移动，使得投影光学系统在变倍过程中无需手动对焦即可实现全程投射画面清晰。第二透镜组20为负透镜组，抵消因像面在微距和无穷远处产生的共轭距变化量，实现像面补偿，使投射画面足够清晰，实现在整个变倍过程都能够从微距到无穷远范围内清晰投影。

设计时采用第一透镜组10相对发光芯片100固定，而且第二透镜组20可在第一透镜组10和第三透镜组30之间相对发光芯片100移动，同时第一透镜组10的光焦度φ₁和第二透镜组20的光焦度φ₂均为负，从而保证了大角度入射的光线能够进入后面的透镜群组，使得整个投影光学系统的焦平面位置向后移动，实现较小的总长，从而使投影光学系统体积小而紧凑。

所述的第一透镜组10的光焦度φ₁满足：-0.07≤φ₁≤-0.03；所述的第二透镜组20的光焦度φ₂满足：-0.03≤φ₂≤-0.01；所述的第三透镜组30的光焦度φ₃满足：0.02≤φ₃≤0.05；所述的第四透镜组40的光焦度φ₄满足：0.01≤φ₄≤0.04；所述的第五透镜组50的光焦度φ₅满足：0.02≤φ₅≤0.04。当第一透镜组10、第二透镜组20、第三透镜组30、第四透镜组40和第五透镜组50的光焦度φ₁、φ₂、φ₃、φ₄和φ₅分别满足以上表达式时，能够大幅度提高投影光学系统的光学性能。

所述的第一透镜组10包括第一镜片1和设在第一镜片1与发光芯片100之间的第二镜片2；所述的第二透镜组20包括第三镜片3；所述的第三透镜组30包括第四镜片4；所述的第四透镜组40包括第五镜片5；所述的第五透镜组50包括从第一透镜组10至发光芯片100方向依次设置的第六镜片6、第七镜片7、第八镜片8和第九镜片9。

所述的第二镜片2为塑胶非球面透镜，所述的第五镜片5和第九镜片9均为玻璃非球面镜片，所述的第一镜片1、第三镜片3、第四镜片4、第六镜片6、第七镜片7、第八镜片8均为玻璃球面透镜。第二镜片2采用非球面，能够校正入射光线的慧差，使第一镜片1的口径能够减小，实现较小的外径，从而实现小体积；光阑200与第四透镜组40采用同步移动的方式，并且第四镜片4采用玻璃球面透镜，使大口径的光线像差得到校正，实现较大光圈。第五镜片5采用非球面，能够校正大口径入射光线的球差和光阑慧差，使后面透镜群组承担较小的像差残余量。第五透镜组50采用第六镜片6和第七镜片7这个胶合透镜组与第八镜片8和第九镜片9这两片单透镜配合，而且胶合透镜组的胶合面弯向光阑200，使大口径的光线像差能够进一步得到校正，同时第九镜片9采用非球面，投影光学系统因角度产生的残余像差，使得周边解像力提高，进而使整个投影光学系统像差小，分辨率高，投射画面清晰。第五镜片5采用玻璃非球面，降低因光阑200处高温导致的焦点漂移，第九镜片9采用玻璃非球面，降低因发光芯片100引起的后组高温对焦点位置的影响，同时补偿前组透镜因温度引起的焦点漂移量，使整个投影光学系统在高温状态下实现像面补偿，高温不虚焦，实现高温共焦。

所述的第二镜片2、第五镜片5和第九镜片9的非球面的表面形状满足以下方程：

在公式中，参数c为半径所对应的曲率，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系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；a₁至a₈分别表示各径向坐标所对应的系数。

以下案例为1.2倍变焦投影镜头的实际设计参数：

第二透镜2的第一面S3的系数为：

k：0.9655508

a₁：0

a₂：0.00016113012

a₃：-1.1121334e-006

a₄：4.6316682e-009

a₅：2.3580794e-012

a₆：-4.100098e-014

a₇：-5.3695792e-016

a₈：1.0863362e-018。

第二透镜2的第二面S4的系数为：

k：1.043183

a₁：0

a₂：0.00012145431

a₃：-1.2901404e-006

a₄：-2.2674029e-009

a₅：5.2804281e-011

a₆：-4.1924371e-014

a₇：-5.4028716e-015

a₈：2.0818976e-017。

第五透镜5的第一面S9的系数为：

k：-94.51348

a₁：0

a₂：-1.3090723e-006

a₃：-4.393733e-007

a₄：-3.4709789e-009

a₅：3.7508959e-012

a₆：3.1684678e-013

a₇：-4.8775678e-015

a₈：-4.8224638e-018。

第五透镜5的第二面S10的系数为：

k：1.673698

a₁：0

a₂：-2.0217113e-005

a₃：-2.1630279e-007

a₄：-5.3141003e-010

a₅：-1.5557725e-011

a₆：-7.8751681e-014

a₇：2.2996132e-015

a₈：-1.8434583e-017。

第九透镜9的第一面S16的系数为：

k：83.98607

a₁：0

a₂：-2.1208048e-005

a₃：-1.8568486e-007

a₄：2.0493656e-009

a₅：-1.5488894e-011

a₆：4.8998077e-014

a₇：-5.1341938e-017

a₈：7867813e-020。

第九透镜9的第二面S17的系数为：

k：-9.692794

a₁：0

a₂：-0.00010128489

a₃：6.943532e-007

a₄：-5.3466646e-009

a₅：3.3159121e-011

a₆：-1.5293411e-013

a₇：3.7363546e-016

a₈：-2.2500886e-019。

1.2倍变焦投影镜头的投射范围为0.5m至无穷远处，1.2倍变焦投影镜头对焦时，第二透镜组20相对第一透镜组10移动范围为6.4～7.0mm，在对焦时，第三透镜组30、第四透镜组40和第五透镜组50保持固定不动。当1.2倍变焦投影镜头的投射距离设置为1.35m时，各个透镜组之间的变焦移动间隔范围如下：第二透镜组20与第三透镜组30之间的间隔为3.53～6.86mm,第三透镜组30与第四透镜组40之间的间隔为13.72～16.63mm，第四透镜组40与第五透镜组50之间的间隔为1.49～6.05mm。

Claims (6)

1.一种大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，其特征在于：包括发光芯片(100)，所述的发光芯片(100)一侧设有相对其固定的第一透镜组(10)，所述的第一透镜组(10)与发光芯片(100)之间设有能相对发光芯片(100)移动而完成投影光学系统对焦的第二透镜组(20)，所述的第二透镜组(20)与发光芯片(100)之间依次设有能同时相对发光芯片(100)移动而完成投影光学系统变倍的第三透镜组(30)、光阑(200)、第四透镜组(40)和第五透镜组(50)，所述的第五透镜组(50)与发光芯片(100)之间还设有棱镜(60)，其中，所述的第一透镜组(10)的光焦度φ₁为负，所述的第二透镜组(20)的光焦度φ₂为负，所述的第三透镜组(30)的光焦度φ₃为正，所述的第四透镜组(40)的光焦度φ₄为正，所述的第五透镜组(50)的光焦度φ₅为正。

2.根据权利要求1所述的大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，其特征在于：所述的第一透镜组(10)的光焦度φ₁满足：-0.07≤φ₁≤-0.03；所述的第二透镜组(20)的光焦度φ₂满足：-0.03≤φ₂≤-0.01；所述的第三透镜组(30)的光焦度φ₃满足：0.02≤φ₃≤0.05；所述的第四透镜组(40)的光焦度φ₄满足：0.01≤φ₄≤0.04；所述的第五透镜组(50)的光焦度φ₅满足：0.02≤φ₅≤0.04。

3.根据权利要求1或2所述的大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，其特征在于：所述的第一透镜组(10)包括第一镜片(1)和设在第一镜片(1)与发光芯片(100)之间的第二镜片(2)；所述的第二透镜组(20)包括第三镜片(3)；所述的第三透镜组(30)包括第四镜片(4)；所述的第四透镜组(40)包括第五镜片(5)；所述的第五透镜组(50)包括从第一透镜组(10)至发光芯片(100)方向依次设置的第六镜片(6)、第七镜片(7)、第八镜片(8)和第九镜片(9)。

4.根据权利要求3所述的大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，其特征在于：所述的第二镜片(2)为塑胶非球面透镜，所述的第五镜片(5)和第九镜片(9)均为玻璃非球面镜片，所述的第一镜片(1)、第三镜片(3)、第四镜片(4)、第六镜片(6)、第七镜片(7)、第八镜片(8)均为玻璃球面透镜。

5.根据权利要求4所述的大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，其特征在于：所述的第六镜片(6)和第七镜片(7)为粘合在一起的胶合镜片组。

6.根据权利要求4所述的大光圈小体积高像素变焦投影光学系统，其特征在于：所述的第二镜片(2)、第五镜片(4)和第九镜片(9)的非球面的表面形状满足以下方程：

$Z=\frac{{\mathrm{cy}}^2}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right)c^2{y}^2}}+a_1{y}^2+a_2{y}^4+a_3{y}^6+a_4{y}^8+a_5{y}^{10}+a_6{y}^{12}+a_7{y}^{14}+a_8{y}^{16}$

在公式中，参数c为半径所对应的曲率，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系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；a₁至a₈分别表示各径向坐标所对应的系数。