CN207181796U - 一种超短焦投影镜头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例公开了一种超短焦投影镜头。该超短焦投影镜头包括：显示芯片，用于调制从投影机照明系统出射的光束，以显示微图像，且用于充当投影镜头的物面；第一透镜组，设置于所述显示芯片的成像光路上，用于平衡所述投影镜头的像差；孔径光阑，设置于所述第一透镜组之后，用于限制成像光束；第二透镜组，设置于所述孔径光阑之后，用于平衡所述投影镜头的像差；非球面反射镜，设置于所述第二透镜组之后，用于校准所述第一透镜组和所述第二透镜组的场曲和畸变，并反射成像光束，使图像成像于屏幕上。本实施例提供的超短焦投影镜头，能够实现短距离投影大图像，并且提高成像质量。
Description
技术领域
本实用新型实施例涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种超短焦投影镜头。
背景技术
随着投影技术的快速发展，超短焦投影技术凭借其在短距离内能够投影大画面的优势，而得到广泛的关注。
最初实现超短焦投影镜头的设计方式为折射式设计，镜头由球面透镜或非球面透镜组成。随着光线入射角的增大，这种折射结构的镜头很难避免像面的畸变，色差，慧差，因此很难在保证像质的情况下继续降低投射比。解决方法是在最后一个面采用非球面反射透镜。
目前已有很多基于先折射后反射的混合式设计原理的结构被提出，但在降低投射比的同时，这些结构无法很好地控制成像的色差，球差，慧差和畸变等光学参数，无法保证像面的亮度和景深。而且这些结构使用了二片或以上胶合透镜及非球面透镜，因此很难保证加工的精度。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种超短焦投影镜头，能够实现短距离投影大图像，并且提高成像质量。
第一方面，本实用新型实施例提供了一种超短焦投影镜头，该投影镜头包括：显示芯片，用于调制从投影机照明系统出射的光束，以显示微图像，且用于充当投影镜头的物面；
第一透镜组，设置于所述显示芯片的成像光路上，用于平衡所述投影镜头的像差；
孔径光阑，设置于所述第一透镜组之后，用于限制成像光束；
第二透镜组，设置于所述孔径光阑之后，用于平衡所述投影镜头的像差；
非球面反射镜，设置于所述第二透镜组之后，用于校准所述第一透镜组和所述第二透镜组的场曲和畸变，并反射成像光束，使图像成像于屏幕上；
所述第一透镜组、所述孔径光阑、所述第二透镜组和所述非球面反射镜在同一主光轴上。
进一步地，还包括：
棱镜组，设置于所述显示芯片和所述第一透镜组之间，用于扩大成像光束的照射角度。
进一步地，所述第一透镜组包括沿光路依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；所述第一透镜为一双凸透镜，所述第二透镜为一双凸透镜，所述第三透镜为一双凸透镜，所述第四透镜为一平凹透镜，所述第五透镜为一双凸透镜。
进一步地，所述第二透镜组包括沿光路依次排列的第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜和第十五透镜；所述第六透镜为一双凸透镜，所述第七透镜为一凸凹透镜，所述第八透镜为一双凸透镜，所述第九透镜为一双凹透镜，所述第十透镜为一双凸透镜，所述十一透镜为一凹凸透镜，所述十二透镜为一凸凹透镜，所述第十三透镜为一双凸透镜，所述第十四透镜为一双凸透镜，所述第十五透镜为一双凹的非球面透镜。
进一步地，所述第十透镜和所述第十一透镜胶合为一个整体。
进一步地，所述第十透镜的厚度小于所述第十一透镜的厚度；所述第十透镜的折射率大于所述第十一透镜的折射率；所述第十透镜的阿贝数小于所述第十一透镜的阿贝数。
进一步地，所述第十五透镜为凹面偶次非球面透镜，非球面阶数为20阶。
进一步地，所述第十二透镜用于调节变焦。
进一步地，所述第十五透镜的材质为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
进一步地，所述显示芯片的尺寸为0.47英寸。
本实用新型实施例提供的超短焦投影镜头，包括：显示芯片，用于调制从投影机照明系统出射的光束，以显示微图像，且用于充当投影镜头的物面；第一透镜组，设置于显示芯片的成像光路上，用于平衡投影镜头的像差；孔径光阑，设置于第一透镜组之后，用于限制成像光束；第二透镜组，设置于孔径光阑之后，用于平衡投影镜头的像差；非球面反射镜，设置于第二透镜组之后，用于校准第一透镜组和第二透镜组的场曲和畸变，并反射成像光束，使图像成像于屏幕上；第一透镜组、孔径光阑、第二透镜组和非球面反射镜在同一主光轴上。本实施例提供的超短焦投影镜头，能够实现短距离投影大图像，并且提高成像质量。
附图说明
图1是本实用新型实施例一中的一种超短焦投影镜头的结构示意图；
图2是本实用新型实施例一中的一种超短焦投影镜头的结构示意图；
图3是本实用新型实施例一中的一种超短焦投影镜头的成像原理图；
图4是本实用新型实施例一中的一种超短焦投影镜头的成像原理图；
图5是本实用新型实施例一中屏幕尺寸为70英寸时超短焦投影镜头在屏幕上各视场的MTF曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本实用新型实施例一提供的一种超短焦投影镜头的结构示意图，该超短焦投影镜头可实现在短距离内投影大画面。如图1所示，该超短焦投影镜头包括显示芯片110，第一透镜组120，孔径光阑130，第二透镜组140和非球面反射镜150。
显示芯片110，用于调制从投影机照明系统出射的光束，以显示微图像，且用于充当投影镜头的物面。第一透镜组120，设置于显示芯片110的成像光路上，用于平衡投影镜头的像差。孔径光阑130，设置于第一透镜组120之后，用于限制成像光束。第二透镜组140，设置于孔径光阑130之后，用于平衡投影镜头的像差。非球面反射镜150，设置于第二透镜组140之后，用于校准第一透镜组120和第二透镜组140的场曲和畸变，并反射成像光束，使图像成像于屏幕上。第一透镜组120、孔径光阑130、第二透镜组140和非球面反射镜150在同一主光轴上。
其中，显示芯片110可以是一种数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device，DMD)，用于调制投影机中从照明系统出射的光束，以显示微图像，充当投影镜头的物面。本实施例中，超短焦投影仪的DMD的偏置可以是5.4mm，尺寸大小可以是0.47英寸。像差可以包括球差、慧差、象散、场曲和色差等。孔径孔径光阑130可以提高成像的清晰度，控制景深，改善成像质量，并且还能控制成像物空间的范围以及控制像面的亮度。
可选的，图2为本实用新型实施例一提供的一种超短焦投影镜头的结构示意图。如图2所示，该投影镜头还包括棱镜组160，设置于显示芯片110和第一透镜组120之间，用于扩大成像光束的照射角度。第一透镜组120包括沿光路依次排列的第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204和第五透镜205。第一透镜201为一双凸透镜，第二透镜202为一双凸透镜，第三透镜203为一双凸透镜，第四透镜204为一平凹透镜，第五透镜205为一双凸透镜。第二透镜组140包括沿光路依次排列的第六透镜206、第七透镜207、第八透镜208、第九透镜209、第十透镜210、第十一透镜211、第十二透镜212、第十三透镜213、第十四透镜214和第十五透镜215；第六透镜206为一双凸透镜，第七透镜207为一凸凹透镜，第八透镜208为一双凸透镜，第九透镜209为一双凹透镜，第十透镜210为一双凸透镜，十一透镜211为一凹凸透镜，十二透镜212为一凸凹透镜，第十三透镜213为一双凸透镜，第十四透镜214为一双凸透镜，第十五透镜215为一双凹的非球面透镜。
可选的，第十透镜210和第十一透镜211胶合为一个整体，可以进一步的改善投影镜头的场曲和畸变像差。第十二透镜212可以起到调节变焦的作用，可以在一定范围内配合整个超短焦镜头的移动来达到清晰的变焦。可选的，第十透镜210的厚度小于第十一透镜211的厚度；第十透镜210的折射率大于第十一透镜211的折射率；第十透镜210的阿贝数小于第十一透镜211的阿贝数。
可选的，第十五透镜215为凹面偶次非球面透镜，非球面阶数为20阶。第十五透镜215的材质可以是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)。第一透镜201到第十四透镜214的材料均采用常用环保型玻璃。非球面反射镜150用于校正第一透镜组120和第二透镜组140的残留像差，可以改善像质和减小畸变，以及通过反射来放大图像。非球面反射镜使用的材料为铝，可以方便加工和生成。示例性的，表1为本实施例中的一种第一透镜到第十五透镜的参数。
表1
其中，非球面透镜(包括第十五透镜215和非球面反射镜150)使用下述公式表征非球面面型。
式中，式中，式中，z为矢高，c表示曲面顶点处的曲率，r＝x2+y2，k为圆锥系数，x,y表示垂直于光轴的坐标面的正交分量，a1…a8表示偶次项对应的系数。
本实用新型的超短焦投影镜头系统可以达到的性能参数为：投射比0.24，放大倍率150倍-192倍，F数1.7-2.5，后焦23.1mm，满足在4k分辨率下的高质量成像，且竖直TVdistortion小于0.1％，水平TV distortion小于0.2％。对应于投影距离0.505m-0.400m，画面尺寸为90-70英寸，其中80英寸为主要投影距离。采用的是DMD显示芯片，分辨率为4k，像素大小为5.4微米，对应的屏幕上空间频率为0.6lp/mm。根据人眼视觉分辨原理，在该空间频率下MTF的数值大于0.3即可在屏幕上看到清晰的图像。其中，投射比是投影距离与画面宽度之比，在相同的工作距离内，投射比越小，投射的画面越大。F数决定了像面照度和设计的难度，F数越小，表示能量利用率越高。
图3是为本实用新型实施例一提供的一种超短焦投影镜头的成像原理图。如图3所述，成像光束从显示芯片110出射，经过棱镜组160扩大照射角度后进入第一透镜组120，然后到达孔径光阑130，经孔径光阑130限制后的成像光束进入第二透镜在140，然后到达球面反射镜150，经球面反射镜150反射后，成像光束成像于屏幕上。
图4是为本实用新型实施例一提供的一种超短焦投影镜头的成像原理图。如图4所示，成像光束经球面反射镜150反射后，在屏幕301上成放大后的像。
表2是本实用新型实施例中的投影镜头下，屏幕尺寸与非球面反射镜到屏幕距离的关系。
表2
| 投射屏幕大小/英寸 | 非球面反射镜到屏幕距离/mm |
| 80 | -450 |
| 70 | -400 |
| 90 | -505 |
示例性的，图5为本实用新型实施例一中屏幕尺寸为70英寸时超短焦投影镜头在屏幕上各视场的MTF曲线。
本实用新型提供的超短焦投影镜头能在很短的距离内，动态调节投影画面大小的同时，能保证高质量画面投影显示。设计过程中使用了一次胶合透镜，使用了一片易加工的非球面透镜和非球面反射镜，最大地减少了机械结构的装配带来的误差，大幅度降低了加工难度，适合大规模生产。
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型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实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型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：
显示芯片，用于调制从投影机照明系统出射的光束，以显示微图像，且用于充当投影镜头的物面；
第一透镜组，设置于所述显示芯片的成像光路上，用于平衡所述投影镜头的像差；
孔径光阑，设置于所述第一透镜组之后，用于限制成像光束；
第二透镜组，设置于所述孔径光阑之后，用于平衡所述投影镜头的像差；
非球面反射镜，设置于所述第二透镜组之后，用于校准所述第一透镜组和所述第二透镜组的场曲和畸变，并反射成像光束，使图像成像于屏幕上；
所述第一透镜组、所述孔径光阑、所述第二透镜组和所述非球面反射镜在同一主光轴上。
2.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，还包括：
棱镜组，设置于所述显示芯片和所述第一透镜组之间，用于扩大成像光束的照射角度。
3.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第一透镜组包括沿光路依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；所述第一透镜为一双凸透镜，所述第二透镜为一双凸透镜，所述第三透镜为一双凸透镜，所述第四透镜为一平凹透镜，所述第五透镜为一双凸透镜。
4.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第二透镜组包括沿光路依次排列的第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜和第十五透镜；所述第六透镜为一双凸透镜，所述第七透镜为一凸凹透镜，所述第八透镜为一双凸透镜，所述第九透镜为一双凹透镜，所述第十透镜为一双凸透镜，所述十一透镜为一凹凸透镜，所述十二透镜为一凸凹透镜，所述第十三透镜为一双凸透镜，所述第十四透镜为一双凸透镜，所述第十五透镜为一双凹的非球面透镜。
5.根据权利要求4所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第十透镜和所述第十一透镜胶合为一个整体。
6.根据权利要求5所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第十透镜的厚度小于所述第十一透镜的厚度；所述第十透镜的折射率大于所述第十一透镜的折射率；所述第十透镜的阿贝数小于所述第十一透镜的阿贝数。
7.根据权利要求4所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第十五透镜为凹面偶次非球面透镜，非球面阶数为20阶。
8.根据权利要求4所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第十二透镜用于调节变焦。
9.根据权利要求4所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第十五透镜的材质为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
10.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述显示芯片的尺寸为0.47英寸。
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