CN214202035U - 一种用于投影大视场的高分辨率投影镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其包括依次设置的DMD芯片镜片，等效棱镜，振镜，其中该镜片组还包括依次设置的，后镜片组，调焦镜片，前镜片组，其中所述后镜片组包括依次设置的第一透镜，第二透镜，三胶合透镜，光阑及第三透镜，而所述前镜片组包括依次设置的，第七透镜，二胶合透镜，第十透镜，第十一透镜，第十二透镜，其中所述调焦镜片在所述后镜片组与前镜片组之间轴向移动，以做不同投影距离的调焦。从而解决现有技术中的投影镜头视场较窄以及由此带来的亮度不足、分辨率不足的问题。

Description

一种用于投影大视场的高分辨率投影镜头

技术领域

本实用新型涉及投影技术，尤其涉及用于投影大视场的高分辨率投影镜头。

背景技术

随着投影技术的发展，对投影图像的清晰度、幅面大小以及亮度的要求也越来越高，目前较为经济的方式是采用TI 0.33″DMD芯片，可以投出1368x768个像素，然后在DMD芯片和棱镜之间添加振镜，通过振镜周期性振动的方式，在视觉上增加像素数量，实现1080P分辨率的投影成像。类如中国专利CN110646918A公开了一种投影镜头，该投影镜头包括依次设置的DMD芯片、等效棱镜、振镜、第一折射透镜组、光阑和第二折射透镜组；第一折射透镜组包括依次设置的第一透镜、三胶合透镜以及第五透镜，其中，三胶合透镜包括第二透镜、第三透镜和第四透镜，且第四透镜为非球面透镜。该三胶合透镜能够对球差、色差和二级光谱具有良好校正能力，因此，从该投影镜头出射的投影图像清晰度较高，且该投影镜头体积较小。

然而上述现有技术在实际使用中，发明人发现0.33″的投影机输出亮度不足1000流明，1080P的分辨率在高端场合依然不足。亮度方面受到光学扩展量的限制，无法使用大的发光面积的LED作为光源，在大幅面下，1080P的分辨率依然显露出较为明显的颗粒感。

另一方面，中国专利CN2051641U公开了一种投影镜头和投影系统，投影镜头包括沿一轴线同轴依次排布的第一球面双凸透镜、第二球面双凸透镜或平凸透镜、非球面双凸透镜、球面双凹透镜、第三球面双凸透镜、第一球面月牙透镜或平凸透镜、第二球面月牙透镜、第三球面月牙透镜、非球面月牙透镜或平凹透镜，投影系统包括沿一轴线同轴依次排布的显示装置、棱镜和如上任一所述的投影镜头。但其视场角达到±36.54°，画面偏小，分辨率也不足4K。

因此现有技术亟待一种新的投影镜头，以同时满足支持视场角±50°、亮度1300流明，同时分辨率达到4K的大视场高分辨率投影性能。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种用于投影大视场的高分辨率投影镜头，以解决现有技术中的投影镜头视场较窄以及由此带来的亮度不足、分辨率不足的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其包括依次设置的DMD芯片镜片，等效棱镜，振镜，其中该镜片组还包括依次设置的，后镜片组，调焦镜片，前镜片组，其中所述后镜片组包括依次设置的第一透镜，第二透镜，三胶合透镜，光阑及第三透镜，而所述前镜片组包括依次设置的，第七透镜，二胶合透镜，第十透镜，第十一透镜，第十二透镜，其中所述调焦镜片在所述后镜片组与前镜片组之间轴向移动，以做不同投影距离的调焦。

在优选实施方式下，所述第一透镜为偶次非球面透镜。

在优选实施方式下，所述第十二透镜为偶次非球面弯月负透镜。

在优选实施方式下，偶次非球面面型满足以下多项式：

。

在优选实施方式下，所述三胶合透镜包括依次排列的，第四透镜，第五透镜，第六透镜，其中所述第四透镜为球面双凸透镜，第五透镜为球面双凹透镜，第六透镜为球面月牙透镜。

在优选实施方式下，所述二胶合透镜包括依次排列的，第八透镜，第九透镜，其中所述第八透镜为球面正透镜，而第九透镜为球面负透镜。

在优选实施方式下，所述第二透镜、第三透镜及第七透镜为球面正透镜。

在优选实施方式下，所述第十透镜为双凹负透镜。

在优选实施方式下，所述第十一透镜为弯月负透镜。

在优选实施方式下，所述调焦镜片为单片球面透镜。

本实用新型提供的该用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其有益效果如下：

1. 能够实现±56°的大视场，分辨率高达4K，并且调焦简单，易于量产。

2. 通过前镜片组的设计，校正了大视场所必须面对的场曲像差，使得视场角的扩大成为可能。

3. 使振镜在本镜片组的结构下支持将0.47″的1080P分辨率提升至4K。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型用的该投影镜头的镜片设置结构示意图；

图2为本实用新型用的该投影镜头对应表1的透镜表面编号示意图；

图3为本实用新型用的该投影镜头的镜片光路结构示意图；

图4为本实用新型用的该投影镜头对应80″画面下的DMD处MTF曲线图；

图5为本实用新型用的该投影镜头对应230″画面下的DMD处MTF曲线图；

图6为本实用新型用的该投影镜头对应80″画面下的DMD处畸变曲线图；

图7为本实用新型用的该投影镜头对应230″画面下的DMD处畸变曲线图；

图8为本实用新型用的该投影镜头对应80″画面下DMD处垂轴色差图；

图9为本实用新型用的该投影镜头对应230″画面下DMD处垂轴色差图；

图10为本实用新型用的该投影镜头对应80″画面下DMD处弥散斑（RMS＜3um）示意图；

图11为本实用新型用的该投影镜头对应230″画面下DMD处弥散斑（RMS＜3um）示意图。

附图标记说明

DMD芯片有效面1，DMD芯片镜片2，等效棱镜3，振镜4，调焦镜片12，第一透镜5，第二透镜6，第四透镜7，第五透镜8，第六透镜9，光阑10，第三透镜11，第七透镜13，第八透镜14，第九透镜15，第十透镜16，第十一透镜17，第十二透镜18。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。而术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“布设”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况，结合现有技术来理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。且图示中的部件中的一个或多个可以是必须的或非必须的，以及上述图示的各部件之间的相对位置关系可以根据实际需要进行调整。

请参阅图1至图11所示，本实用新型提供了一种用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其能够实现±56°的大视场，分辨率高达4K，并且调焦简单，为此该投影镜头包括依次设置的DMD芯片镜片2，等效棱镜3，振镜4，其中该投影镜头还包括依次设置的，后镜片组，调焦镜片12，前镜片组，其中所述后镜片组包括依次设置的第一透镜5，第二透镜6，三胶合透镜，光阑10及第三透镜11，而所述前镜片组包括依次设置的，第七透镜13，二胶合透镜，第十透镜16，第十一透镜17，第十二透镜18，其中所述调焦镜片12在所述后镜片组与前镜片组之间轴向移动，以做不同投影距离的调焦。

其中所述二胶合透镜包括依次排列的，第八透镜14，第九透镜15，其中所述第八透镜14为球面正透镜，而第九透镜15为球面负透镜。而所述第二透镜6、第三透镜11及第七透镜13为球面正透镜，所述第十透镜16为双凹负透镜，所述第十一透镜17为弯月负透镜。所述第一透镜5为偶次非球面透镜，所述第十二透镜18为偶次非球面弯月负透镜。

其中所述振镜4本身是一片平行平板，在实际投影时，配合DMD的帧率，按时序做两个正交方向的倾斜，使得光线整体偏移原光路2.7um（5.4/2=2.7）（0.5个DMD像素宽度），这样就可以在屏幕处形成上下左右分别错位0.5像素宽度的画面，利用人眼的视觉滞留效应，将4幅画面同时叠加进人的大脑，形成一幅长度像素密度同时翻倍的4K画面。

而第一透镜5即该玻璃非球面透镜，和第二透镜6即球面正透镜，承担了后组的主要光焦度。其中第二透镜6可以承担较多的光焦度，使得第一透镜5的非球面系数和形状可以更自由地用于像差的校正以及远心度的保证，从而降低高级像差和提高量产性。

另一方面，该三胶合透镜包括依次排列的，第四透镜7，第五透镜8，第六透镜9，其中所述第四透镜7为球面双凸透镜，第五透镜8为球面双凹透镜，第六透镜9为球面月牙透镜。其中该三胶合透镜主要作用用于色差及二级光谱的校正。因此该三胶合透镜使用“正负正”的排布方式，其排布方式相比“负正负”的布局，其公差更宽松，更容易制造。同时该三胶合透镜优选设置位于光阑10附近，光线入射角度不大，相对平行，有利于色差的校正。

此外，在本实施例中，该光阑10的主要作用是拦住多余的光线，以保证系统F#在1.7附近。其中该第三透镜11即正透镜用于收紧光束口径，进入光阑10。而所述调焦镜片12由球面透镜组成。该调焦镜片12仅仅使用一个镜片的移动实现，主要目的还是保证镜头的可量产性。单独一个透镜的轴向移动，一方面不需要高精度的凸轮结构，也不需要考虑调焦镜片12的镜片与镜片之间内部的位置公差。

其中所述前镜片组中的所述第七透镜13和调焦镜片12可以看做是共同承担光焦度。而第八透镜14和第九透镜15胶合在一起，形成该二胶合透镜，一方面是减小装配误差，另一方面是通过两个透镜之间的色散差异来校正部分色差，还有一个原因是两个透镜胶合在一起以形成一个厚弯月透镜来校正场曲。

其中该第十透镜16为双凹负透镜，其作为前镜片组的负光焦度的主要承担者，此处拥有前镜片组最小的光束口径。

其中该第十一透镜17与第十二透镜18为透镜分裂的关系，共同承担前镜片组的负光焦度。此外本实施例中，该第十二透镜18为偶次非球面透镜，承担着整个镜头的畸变校正和轴外像差较正的主要功能。

籍此整个前镜片组的光焦度分布基本上以场曲的校正为原则，正光焦度表面具有高的光线高度，负光焦度表面具有低的光线高度。绝大部分表面均弯向光阑10，以减小轴外视场的主光线在透镜表面的入射角，从而降低高级像差。

如图2所示，该用于投影大视场的高分辨率投影镜头中，各个透镜的透镜表面数据对应表1 如下：

表面序号	表面类型	曲率半径	厚度	nd	vd	圆锥系数k
							OBJ	球面	无限	0.303	/	/	0
R1	球面	无限	1.1	1.510072	63.364525	0
							R2	球面	无限	0.6	/	/	0
R3	球面	无限	16	1.713004	51.868142	0
							R4	球面	无限	1.6			0
R5	球面	无限	2	1.52308	58.571369	0
							R6	球面	无限	3.005	/	/	0
R7	偶次非球面	19.48746	6.5	1.80605	43.92	-0.2984479
							R8	偶次非球面	无限	0.1	/	/	0
R9	球面	18.87931	7.8	1.496998	81.594687	0
							R10	球面	-69.91828	0.1	/	/	0
R11	球面	31.16457	3.6	1.490469	66.052454	0
							R12	球面	-16.9299	1.2	1.8903664	22.318289	0
R13	球面	12.995	2.5	1.496998	81.594687	0
							R14	球面	42.39211	4.016059	/	/	0
STO	球面	无限	4.213009	/	/	0
							R16	球面	60.52464	5	1.550723	47.229943	0
R17	球面	-49.26408	32.82421	/	/	0
							R18	球面	无限	7	1.833996	37.229136	0
R19	球面	-61.58537	9.974535	/	/	0
							R20	球面	1.8799	5	1.84667	23.791236	0
R21	球面	无限	0.1	/	/	0
							R22	球面	38.6527	17.00033	1.769501	35.020925	0
R23	球面	-38.6527	3.5	1.743205	27.547441	0
							R24	球面	26.38066	13.75395	/	/	0
R25	球面	-24.8422	3.5	1.496998	81.594687	0
							R26	球面	132.5507	14.92381	/	/	0
R27	球面	-28.5	4.5	1.804009	46.567682	0
							R28	球面	-53.68174	7.332034	/	/	0
R29	偶次非球面	-26.91225	5	1.531131	53.753857	-0.4519874
							R30	偶次非球面	-148.171	875.781	/	/	12.35969
IMA	球面	无限		/	/	0

表1

其中本实施例下，该偶次非球面面型，如第一透镜5为偶次非球面透镜、第十二透镜18为偶次非球面弯月负透镜，其满足以下多项式：

。

非球面系数	R7	R8	R29	R30
					r2	0	0	0	0
r4	-1.16E-05	2.52E-05	3.35E-06	-4.81E-06
					r6	1.69E-07	7.21E-08	-4.09E-10	4.67E-09
r8	-1.36E-09	-3.06E-10	1.62E-11	-2.30E-12
					r10	1.07E-11	4.20E-12	-1.63E-14	1.08E-15
r12	-3.66E-14	-2.02E-14	5.58E-18	-2.02E-19
					r14	0	0	0	0
r16	0	0	0	0

表2

其中在本实施例下，该第一透镜5及第十二透镜18可优选参照上述表2数据，依据该偶次非球面面型多项式计算实施。

据此上述实施例所述投影镜头结构的检测数据，如图4至图5所示，该可见光波段的MTF曲线图，代表光学系统的综合解析能力，图中横轴表示空间频率，单位：圈数每毫米(cycles/mm)。纵轴表示调制传递函数(MTF)的数值，所述MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0~1, MTF曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强，各个视场的曲线重合程度越好，像质的一致性就越好。从图6 中可以看出，可见光波段在空间频率为93 1p/mm时，全视场的MTF>0.45，且各视场成像质量较好。

其中如图6至图7所示为畸变曲线。该畸变曲线描述的是实际成像面与理想像面的偏差值，常用百分比来标识。而本实施例下的该投影镜头的投影系统主要控制TV畸变，虽然光学畸变接近4%，但是TV畸变在0.5%以内。

其中如图8至图9所示为垂轴色差曲线。垂轴色差描述的是各个视场位置的不同光波的主光线在像面处高度方向上的差值，这个差异越小说明该系统的色差越小，成像质量越好，而本实施例下该投影镜头按照DMD像素大小5.4um，现垂轴色差控制在4um以内，因此满足使用要求。

其中如图10至图11所示为弥散斑。弥散斑描述的是各视场在像面处的光线聚焦状态。弥散斑越小，则成像质量越好。而本实施例下该投影镜头DMD单元尺寸为5.4um，目前RMS控制在3um以内，因此满足使用要求。

可见通过本实用新型提供的该用于投影大视场的高分辨率投影镜头，完全能够实现±56°的大视场，分辨率到达4K的效果，并且调焦简单，易于量产。此外本实施例中通过对前镜片组的设计，校正了大视场所必须面对的场曲像差，使得视场角的扩大成为可能。同时使振镜4在本镜片组的结构下支持将0.47″的1080P分辨率提升至4K。籍此解决了现有技术的投影镜头视场不够，以及由此带来的亮度不足、分辨率不足的问题。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

此外，本实用新型实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型实施例的思想，其同样应当视为本实用新型实施例所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其包括依次设置的DMD芯片镜片（2），等效棱镜（3），振镜（4），其特征在于，还包括依次设置的，后镜片组，调焦镜片（12），前镜片组，其中所述后镜片组包括依次设置的第一透镜（5），第二透镜（6），三胶合透镜，光阑（10）及第三透镜（11），而所述前镜片组包括依次设置的，第七透镜（13），二胶合透镜，第十透镜（16），第十一透镜（17），第十二透镜（18），其中所述调焦镜片在所述后镜片组与前镜片组之间轴向移动，以做不同投影距离的调焦。

2.根据权利要求1所述的用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其特征在于，所述第一透镜（5）为偶次非球面透镜。

3.根据权利要求1所述的用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其特征在于，第十二透镜（18）为偶次非球面弯月负透镜。

4.根据权利要求2至3任一所述的用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其特征在于，偶次非球面面型满足以下多项式：

。

5.根据权利要求1所述的用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其特征在于，所述三胶合透镜包括依次排列的，第四透镜（7），第五透镜（8），第六透镜（9），其中所述第四透镜（7）为球面双凸透镜，第五透镜（8）为球面双凹透镜，第六透镜（9）为球面月牙透镜。

6.根据权利要求1所述的用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其特征在于，所述二胶合透镜包括依次排列的，第八透镜（14），第九透镜（15），其中所述第八透镜（14）为球面正透镜，而第九透镜（15）为球面负透镜。

7.根据权利要求1所述的用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其特征在于，所述第二透镜（6）、第三透镜（11）及第七透镜（13）为球面正透镜。

8.根据权利要求1所述的用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其特征在于，所述第十透镜（16）为双凹负透镜。

9.根据权利要求1所述的用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其特征在于，所述第十一透镜（17）为弯月负透镜。

10.根据权利要求1所述的用于投影大视场的高分辨率投影镜头，其特征在于，所述调焦镜片（12）为单片球面透镜。

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