CN207965338U - 一种高分辨率低畸变微型投影镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种高分辨率低畸变的微型投影镜头，其特征在于，所述微型投影镜头包含两部分镜组，第一部分为发散镜组，具有负光焦度，第二部分为会聚镜组，具有正光焦度，所述发散镜组依次包括第一透镜(L1)，第二透镜(L2)，第三透镜(L3)，第四透镜(L4)；所述会聚镜组依次包括第五透镜(L5),第六透镜组(L6)，第七透镜(L7)，第八透镜(L8)，第九透镜(L9)。本实用新型的系统分辨率高，达到100lp/mm，高于普通产品的66lp/mm‑50lp/mm；系统畸变低，为0.14％；结构紧凑；全部为球面镜片，成本低，适合批量生产。

Description

一种高分辨率低畸变微型投影镜头

技术领域

本实用新型涉及光电显示行业中的投影技术，具体涉及一种高分辨率低畸变微型投影镜头。

背景技术

近年来，随着半导体技术的发展和深入，数字投影显示技术不断进步，投影设备被广泛应用于工业、商务、教育、家庭等各个领域。其中，数字化光处理投影设备(DigitalLight Procession，DLP)凭借其高清晰的画面、高亮度的图像、丰富的色彩及高对比度的显示已逐渐成为主流投影设备之一。

DLP技术中的核心部件主要采用DMD(Digital Micro mirror Device)数字图像芯片，DMD是由美国TI公司独家研究开发，它是由很多矩阵排列的数字微反射镜组成，工作时每个微反射镜都能够朝±12°两个方向进行偏转，并锁定约15us,从而使光线按既定的方向进行投射，并且以数万赫兹的频率进行摆动，将来自照明光源的光束通过微反射镜的翻转反射进入投影镜头成像在屏幕上。DMD具有分辨率高，信号无需数模转换等优点。

DLP照明系统分为远心结构和非远心结构。为了提高投影显示画面的均匀性，匹配DMD芯片的入射角度，目前，多采用远心照明结构系统，在该系统中，一般利用TIR棱镜的全反射对照明光束和成像光束进行分离，让系统更加紧凑。因此，这就需要采用与TIR棱镜匹配的投影镜头。在投影镜头设计过程中，像高、视场角、焦距、相对孔径等相关参数相互制约，对最终的成像质量影响很大，特别是畸变量很难控制，另外，投影镜头与TIR棱镜匹配时需要保留较长的后工作距离，这大大增加了镜头长度和轴外像差的控制难度。因此很难设计出成像质量高，镜头结构紧凑，畸变量又满足使用要求的镜头。例如在CN015527698中，系统采用九片球面镜，其分辨率仅为50lp/mm，畸变约为0.7％，

在现有一些公开的投影镜头技术中，主要通过三种技术方式提升光学系统成像质量：第一，应用非球面技术，即通过加入非球面透镜，改善光学系统的成像质量或简化系统结构，但由于非球面透镜的加工和装配要求更加严格，这对于投影镜头的批量生成会提升成本，降低生产效率，例如，在专利CN103246047中，采用一个弯月形单面偶次非球面，增加加工及装配难度；第二，通过增加系统中透镜的数量，这会导致投影镜头长度过长，系统不够紧凑；第三，通过采用国外进口的高折射率光学材料，提升光学成像质量，但是这就大大增加了批量生成的成本。例如，在日本专利02120574中，采用FCD1、LAF等材料，且透镜数量在12片以上，镜头成本高。

实用新型内容

针对现有技术中投影镜头设计生产过程中需解决的镜头结构、成像质量、生产成本相互制约的问题，本实用新型提出了一种与TIR棱镜及DMD匹配的投影镜头结构，根据光阑位置及元件指标的优化，降低视场畸变，提高成像质量，提高分辨率，且结构紧凑，全部采用球面透镜，加工及装配成本低，适用于批量生产。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一种高分辨率低畸变的微型投影镜头，其特征在于，所述微型投影镜头包含两部分镜组，第一部分为发散镜组，具有负光焦度，第二部分为会聚镜组，具有正光焦度。

优选地，所述发散镜组依次包括第一透镜(L1)，第二透镜(L2)，第三透镜(L3)，第四透镜(L4)；所述会聚镜组依次包括第五透镜(L5),第六透镜组(L6)，第七透镜(L7)，第八透镜(L8)，第九透镜(L9)。

优选地，所述微型投影镜头的光焦度分配满足下列不等式：

其中，f1为发散镜组的焦距，f2为会聚镜组的焦距。

优选地，第一透镜(L1),为平凸型的正透镜，其凸面背向光阑；第二透镜(L2)，为弯月形负透镜，其凹面朝向光阑；第三透镜(L3)，为弯月形正透镜，其凹面朝向光阑；第四透镜(L4)，为弯月形负透镜，其凹面朝向光阑；第五透镜(L5)，为弯月形正透镜，其凹面朝向光阑；第六透镜组(L6)，为双凹形负透镜(L6-1)和双凸形正透镜(L6-2)组成的双胶合负透镜组；第七透镜(L7)为双凸形正透镜；第八透镜(L8)，为弯月形负透镜，其凹面背向光阑；第九透镜(L9)，为双凸形正透镜。

优选地，光阑位于第四透镜(L4)与第五透镜(L5)之间。

优选地，所有镜片均采用玻璃材料。

优选地，其中第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第五透镜(L5)、双凸形正透镜(L6-2)、第七透镜(L7)、第九透镜(L9)为低折射率、低色散、常见的钡冕玻璃；第四透镜(L4)为常见的H-K9L冕牌玻璃；第三透镜(L3)、双凹形负透镜(L6-1)、第八透镜(L8)为高折射率、高色散的火石玻璃。

优选地，所述微型投影镜头总长90mm,最大口径46mm，F#为2.4，投射比1.56，全视场角80.5°。

本实用新型的优点在于：系统分辨率高，达到100lp/mm，高于普通产品的66lp/mm-50lp/mm；系统畸变低，为0.14％；结构紧凑；全部为球面镜片，成本低，适合批量生产。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型中高分辨率低畸变微型投影镜头的光学系统图；

图2为本实用新型中高分辨率低畸变微型投影镜头的光线轨迹图；

图3为本实用新型中高分辨率低畸变微型投影镜头的传递函数曲线；

图4为本实用新型中高分辨率低畸变微型投影镜头的的点列图；

图5为本实用新型中高分辨率低畸变微型投影镜头的场曲和畸变曲线图；

图6为本实用新型中高分辨率低畸变微型投影镜头的垂轴像差。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实用新型提出了一种高分辨率低畸变的微型投影镜头，如图1和图2所示，微型投影镜头包含九组镜片，由两部分组成，第一部分为发散镜组(S1)，具有负光焦度，发散镜组(S1)共包括四组镜片，第一透镜(L1)，第二透镜(L2)，第三透镜(L3),第四透镜(L4)；第二部分为会聚镜组(S2)，具有正光焦度，包括第五透镜(L5),第六透镜组(L6),L6为双胶合透镜，包括双凹形负透镜(L6-1)和双凸形正透镜(L6-2)，第七透镜(L7)，第八透镜(L8)，第九透镜(L9)。

投影镜头采用准反远距摄像光学系统结构，即第一部分为负光焦度的镜组，使光线具有显著的发散作用，有效保证系统有足够的后工作距离，将远距离的物成像在会聚镜组的物方2倍焦距附近，本实用新型有利于采用发散镜组(S1)中的第一透镜(L1)和第二透镜(L2)对系统不同距离的焦距进行优化，同时使得镜头结构紧凑。

为了保证高成像质量和通过发散镜组调焦的可能性，该投影镜头的光焦度分配要满足一定的范围，满足下列不等式：

其中，f1为发散镜组(S1)的焦距，f2为会聚镜组(S2)的焦距，如果不满足上述等式，系统很难通过发散镜组(S1)的优化实现对不同距离的调焦以及保证镜头的高成像质量。

第一透镜(L1),为平凸型的正透镜，其凸面背向光阑；第二透镜(L2)，为弯月形负透镜，其凹面朝向光阑；第三透镜(L3)，为弯月形正透镜,其凹面朝向光阑；第四透镜(L4)，为弯月形负透镜，其凹面朝向光阑；光阑位于第四棱镜(L4)与第五透镜(L5)之间；第五透镜(L5)，为弯月形正透镜，其凹面朝向光阑,第六透镜组(L6)，为双胶合负透镜组，其所包括的透镜(L6-1)为双凹形负透镜，透镜(L6-2)为双凸形正透镜；第七透镜(L7)为双凸形正透镜；第八透镜(L8)，为弯月形负透镜，其凹面背向光阑；第九透镜(L9)，为双凸形正透镜。

在发散镜组(S1)中，通过第二透镜(L2)对各个视场的光束发散，使得光线的投射高度增加，孔径高级像差将会增大，由此相邻两个透镜L1、L3配置了会聚透镜，对光束进行会聚，进入系统的光阑，光阑位置在会聚镜组(S2)第五透镜(L5)的前表面，一方面可以适当减小孔径高级像差所带来的影响，同时也更能保证像面均匀性的提高。

具有正光焦度的会聚镜组(S2)主要校正大视场光线折射后的光学系统的视场高级像差。胶合透镜(L6)由凹透镜(L6-1)和凸透镜(L6-2)构成，能够对系统的轴向色差进行有效校正。

所有镜组采用玻璃材料，其中L1、L2、L5、L6-2、L7、L9为低折射率、低色散、常见的钡冕玻璃；L4为常见的H-K9L冕牌玻璃；L3、L6-1、L8为高折射率、高色散的火石玻璃。

本实用新型高分辨率低畸变微型投影镜头的结构参数参见下表：

优选地，镜头总长90mm,最大口径46mm，F#为2.4，投射比1.56，全视场角80.5°。

为了与DMD芯片及照明系统匹配，投影镜头采用像面远心结构，保证每个视场的光束有相同的入射角。经优化后，系统波像差较小，成像质量提升，系统中所有视场的分辨率都达到100lp/mm，具有较高分辨率，其传递函数曲线图如图3所示，从图3中可以看出，所有视场在100lp/mm光学传递函数大于60％，指标较高。100lp/mm的分辨率高于现有技术中所设计的50lp/mm。

图4为本实用新型中高分辨率低畸变微型投影镜头的的点列图，从图4可以看到，艾里斑半径为1.21um，对用轴上视场点，其像点的几何半径为2.047um；轴外33mm视场点所对应的像点几何半径为4.165um，轴外55mm视场点所对应的像点几何半径为10.454um；即说明系统轴上及轴外视场点所对应的像点都是艾里斑半径的数量等级，系统成像质量较好。

通过将光阑放置到第五透镜(L5)的前表面，使得镜组S1、S2趋于对称，对系统的综合像差，特别是畸变进行校正；另外，通过优化相邻表面的正畸变和负畸变，使得系统畸变降低；对于轴外视场畸变的降低，主要通过优化距离光阑较远的透镜实现。图5为本实用新型中高分辨率低畸变微型投影镜头的场曲和畸变曲线图，从图5可以看出，系统的畸变为0.15％，且对应不同波长下的系统畸变曲线基本无差别。系统对应不同波长下的子午和弧矢方向的场曲较为一致，基本为0.06mm。畸变及场曲曲线证明系统成像质量较好。

图6为本实用新型中高分辨率低畸变微型投影镜头的垂轴像差，可以看出，本实用新型的高分辨率低畸变微型投影镜头，垂轴像差小，成像质量较好。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种高分辨率低畸变微型投影镜头，所述微型投影镜头包含两部分镜组，第一部分为发散镜组，具有负光焦度，第二部分为会聚镜组，具有正光焦度，其特征在于，

所述微型投影镜头的光焦度分配满足下列不等式：

其中，f1为发散镜组的焦距，f2为会聚镜组的焦距。

2.根据权利要求1所述的一种高分辨率低畸变的微型投影镜头，所述发散镜组依次包括第一透镜(L1)，第二透镜(L2)，第三透镜(L3)，第四透镜(L4)；所述会聚镜组依次包括第五透镜(L5),第六透镜组(L6)，第七透镜(L7)，第八透镜(L8)，第九透镜(L9)。

3.根据权利要求1或2所述的一种高分辨率低畸变的微型投影镜头，第一透镜(L1),为平凸型的正透镜，其凸面背向光阑；第二透镜(L2)，为弯月形负透镜，其凹面朝向光阑；第三透镜(L3)，为弯月形正透镜，其凹面朝向光阑；第四透镜(L4)，为弯月形负透镜，其凹面朝向光阑；第五透镜(L5)，为弯月形正透镜，其凹面朝向光阑；第六透镜组(L6)，为双凹形负透镜(L6-1)和双凸形正透镜(L6-2)组成的双胶合负透镜组；第七透镜(L7)为双凸形正透镜；第八透镜(L8)，为弯月形负透镜，其凹面背向光阑；第九透镜(L9)，为双凸形正透镜。

4.根据权利要求3所述的一种高分辨率低畸变的微型投影镜头，光阑位于第四透镜(L4)与第五透镜(L5)之间。

5.根据权利要求1或2所述的一种高分辨率低畸变的微型投影镜头，所有镜片均采用玻璃材料。

6.根据权利要求5所述的一种高分辨率低畸变的微型投影镜头，其中第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第五透镜(L5)、双凸形正透镜(L6-2)、第七透镜(L7)、第九透镜(L9)为低折射率、低色散、常见的钡冕玻璃；第四透镜(L4)为常见的H-K9L冕牌玻璃；第三透镜(L3)、双凹形负透镜(L6-1)、第八透镜(L8)为高折射率、高色散的火石玻璃。

7.根据权利要求1或2所述的一种高分辨率低畸变的微型投影镜头，所述微型投影镜头总长90mm,最大口径46mm，F#为2.4，投射比1.56，全视场角80.5°。