CN214751068U - 投影镜头及投影设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种投影镜头，投影镜头由物方至像方沿同一光轴，包括：第一透镜、第一胶合透镜、第二胶合透镜以及第六透镜，第一透镜具有负光焦度；第一胶合透镜包括第二透镜和第三透镜，第二透镜位于第一透镜和第三透镜之间，且第二透镜和第三透镜相对的表面相互胶合，第一胶合透镜具有正光焦度；第二胶合透镜包括第四透镜和第五透镜，第四透镜位于第三透镜和第五透镜之间，且第四透镜和第五透镜相对的表面相互胶合，第二胶合透镜具有负光焦度；第六透镜具有正光焦度。本实用新型技术方案能够满足投影镜头的小尺寸模块化的要求，消除光学成像的像差，降低加工及装配难度，减少生产成本。

Description

投影镜头及投影设备

技术领域

本实用新型涉及投影成像技术领域，特别涉及一种投影镜头及投影设备。

背景技术

微型投影是将传统投影显示装置进行小型化，便携化的一种投影技术。在微型投影技术领域中，微投设备正逐步向着微型化，高亮度，便携式的方向发展。其中，数字化光处理投影设备(Digital Light 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。

但目前的微型投影镜头的光学结构过于复杂，体积较大，难以满足微型投影镜头对小型化的要求，且其加工和装配难度较大，生产成本较高。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种主题一，旨在满足投影镜头的小尺寸模块化的要求，能够消除光学成像的像差，降低加工及装配难度，减少生产成本。

为实现上述目的，本实用新型提出一种投影镜头，所述投影镜头由物方至像方沿同一光轴，包括：第一透镜、第一胶合透镜、第二胶合透镜以及第六透镜，所述第一透镜具有负光焦度；所述第一胶合透镜包括第二透镜和第三透镜，所述第二透镜位于所述第一透镜和所述第三透镜之间，且所述第二透镜和所述第三透镜相对的表面相互胶合，所述第一胶合透镜具有正光焦度；所述第二胶合透镜包括第四透镜和第五透镜，所述第四透镜位于所述第三透镜和所述第五透镜之间，且所述第四透镜和所述第五透镜相对的表面相互胶合，所述第二胶合透镜具有负光焦度；所述第六透镜具有正光焦度。

可选地，所述第一透镜朝向物方一侧的表面为凸面、朝向像方一侧的表面为凹面；所述第二透镜朝向物方一侧的表面为凹面、朝向像方一侧的表面为凹面；所述第三透镜朝向物方一侧的表面为凸面、朝向像方一侧的表面为凸面；所述第四透镜朝向物方一侧的表面为凹面、朝向像方一侧的表面为凹面；所述第五透镜朝向物方一侧的表面为凸面、朝向像方一侧的表面为凸面；所述第六透镜朝向物方一侧的表面为凸面、朝向像方一侧的表面为凸面。

可选地，所述第一透镜的焦距为f1，所述第一胶合透镜的焦距为f2/3，所述第二胶合透镜的焦距为f4/5，所述第六透镜的焦距为f6，其中，-15.5<f1<-9.5，15.5<f2/3<22.5，-80.5<f4/5<-52.5，9.2<f6<16.5。

可选地，所述投影镜头的焦距为f，其中，5.2<f<8.5。

可选地，所述第一透镜为非球面透镜；和/或，所述第六透镜为非球面透镜。

可选地，所述第一透镜为光学塑料材质；和/或，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜以及所述第六透镜均为光学玻璃材质。

可选地，所述投影镜头还包括：光阑，所述光阑设于所述第一胶合透镜和所述第二胶合透镜之间。

为实现上述目的，本实用新型还提供一种投影设备，所述投影设备包括如上所述的投影镜头以及显示单元，所述显示单元设于所述第六透镜背离所述第二胶合透镜的一侧。

可选地，所述投影设备还包括：直角棱镜，所述直角棱镜设于所述第六透镜和所述显示单元之间。

可选地，所述投影设备还包括：透明保护层，所述透明保护层设于所述显示单元背离所述第六透镜的一侧。

本实用新型技术方案中，投影镜头包括由物方至像方沿同一光轴分布的第一透镜、第一胶合透镜、第二胶合透镜以及第六透镜，第一透镜具有负光焦度，第一胶合透镜包括第二透镜和第三透镜，第一胶合透镜具有正光焦度，第二胶合透镜包括第四透镜和第五透镜，第二胶合透镜具有负光焦度，第六透镜具有正光焦度，本实用新型仅通过六个透镜组合形成投影镜头，镜片数量少，结构紧凑，能够满足投影镜头的小尺寸模块化的要求，并且，通过不同结构的透镜之间的配合使用，能够有效消除光学成像中产生的像差，从而保证成像质量，使得投影镜头的畸变小、色差小、光学性能优良，实现小尺寸高像质的效果，另外，通过投影镜头整个光路的光焦度的合理分配，并采用两个胶合透镜，使得投影镜头具有低灵敏性的公差，从而降低了镜片加工的难度以及镜片装配的难度，能够减少生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型投影镜头一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型投影镜头一实施例的光路示意图；

图3为本实用新型投影镜头一实施例的调制传递函数图；

图4为本实用新型投影镜头一实施例的光线点列图；

图5为本实用新型投影镜头一实施例的场曲与畸变图；

图6为本实用新型投影镜头一实施例的垂轴色差图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	第一透镜	60	第六透镜
20	第二透镜	70	光阑
				30	第三透镜	81	显示单元
40	第四透镜	82	棱镜
				50	第五透镜	83	透明保护层

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种投影镜头。

在本实用新型实施例中，如图1至2所示，该投影镜头由物方至像方沿同一光轴，包括：第一透镜10、第一胶合透镜、第二胶合透镜以及第六透镜60，第一透镜10具有负光焦度；第一胶合透镜包括第二透镜20和第三透镜30，第二透镜20位于第一透镜10和第三透镜30之间，且第二透镜20和第三透镜30相对的表面相互胶合，第一胶合透镜具有正光焦度；第二胶合透镜包括第四透镜40和第五透镜50，第四透镜40位于第三透镜30和第五透镜50之间，且第四透镜40和第五透镜50相对的表面相互胶合，第二胶合透镜具有负光焦度；第六透镜60具有正光焦度。

需要说明的是，像方为投影过程中，投影图像的图像源(显示单元81)所在的一侧(如图中B处所示)，物方为投影图像成像于投影面(比如墙面)所在的一侧(如图中A处所示)。

具体地，本实用新型的投影镜头应用于投影设备中时，在第六透镜60背离第二胶合透镜的一侧还设有显示单元81，投影光信号由显示单元81发出，自像方朝物方发射，依次经过第六透镜60、第五透镜50和第四透镜40(二者胶合形成第二胶合透镜)、第三透镜30和第二透镜20(二者胶合形成第一胶合透镜)、第一透镜10，最终输出至位于第一透镜10背离第一胶合透镜一侧的投影面上，从而显示出投影图像。

在光学系统中，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，与高斯光学(一级近似理论或近轴光线)的理想状况的偏差，称为像差。像差主要分为畸变、场曲、色差、球差、彗差、像散等。像差会影响投影镜头的成像质量，因此，在设计投影镜头时，需要尽可能地消除光学系统成像时产生的像差。

其中，光焦度为像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，表征光学系统偏折光线的能力。负光焦度透镜是中间薄、周边厚的一种透镜，又称凹透镜，具有发散光线的作用；正光焦度透镜是中间厚、周边薄的一种透镜，又称凸透镜，具有汇聚光线的作用。本实施例中，通过负光角度的第一透镜10、正光焦度的第一胶合透镜、负光焦度的第二胶合透镜以及正光焦度的第六透镜60的组合，能够有效减小光学成像过程中产生的场曲和畸变。而第二透镜20和第三透镜30组成的第一胶合透镜、由第四透镜40和第五透镜50组成的第二胶合透镜，能够有效消除光学成像过程中产生的色差。以第一胶合透镜为例，第二透镜20具体可以为高折射率的火石玻璃负透镜，第三透镜30具体可以为低折射率的冕牌玻璃正透镜。同时，通过投影镜头整个光路的光焦度的合理分配，并采用两个胶合透镜，使得投影镜头具有低灵敏性的公差(指镜片偏离光轴的偏心距公差，也即镜片与镜筒之间的间隙公差)，从而降低了镜片加工的难度以及镜片装配的难度，能够减少生产成本。

因此，本实用新型的技术方案中，仅通过六个透镜组合形成投影镜头，镜片数量少，结构紧凑，能够满足投影镜头的小尺寸模块化的要求，并且，通过不同结构的透镜之间的配合使用，能够有效消除光学成像中产生的像差，从而保证成像质量，使得投影镜头的畸变小、色差小、光学性能优良，实现小尺寸高像质的效果，另外，通过投影镜头整个光路的光焦度的合理分配，并采用两个胶合透镜，使得投影镜头具有低灵敏性的公差，从而降低了镜片加工的难度以及镜片装配的难度，能够减少生产成本。

在本实用新型的一实施例中，请参阅图1至2，第一透镜10朝向物方一侧的表面为凸面、朝向像方一侧的表面为凹面；第二透镜20朝向物方一侧的表面为凹面、朝向像方一侧的表面为凹面；第三透镜30朝向物方一侧的表面为凸面、朝向像方一侧的表面为凸面；第四透镜40朝向物方一侧的表面为凹面、朝向像方一侧的表面为凹面；第五透镜50朝向物方一侧的表面为凸面、朝向像方一侧的表面为凸面；第六透镜60朝向物方一侧的表面为凸面、朝向像方一侧的表面为凸面。

本实施例中，第一透镜10为凹凸透镜，为弯月形透镜，且第一透镜10朝向物方弯曲，第二透镜20为双凹透镜，第三透镜30为平凸透镜，第四透镜40为双凹透镜，第五透镜50为双凸透镜，第六透镜60为双凸透镜，上述镜片结构，有利于扩大投影镜头的视场角，实现大视场角效果，且第一透镜10、第一胶合透镜、第二胶合透镜以及第六透镜60结构紧凑，有利于投影镜头的小尺寸模块化。

在本实用新型的一实施例中，第一透镜10为非球面透镜。

本实施例中，将第一透镜10的两侧表面均设置为非球面，通过中心位置的曲率和边缘位置的曲率不同，可以调整靠近光轴位置的成像和远离光轴位置的成像结果，减少靠近光轴位置的成像和远离光轴位置的成像差异，进而减少像差，使成像更清晰，实现校正像差的效果，有利于投影镜头的小型化。同样地，通过设置第六透镜60的两侧表面均为非球面，可以有效消除光学成像过程中产生的球差、彗差和像散，实现校正像差的效果。本实用新型技术方案中，整个投影镜头仅采用两片非球面镜片，相比其他采用三片甚至更多非球面镜片的投影镜头来说，本实施例的投影镜头通过减少非球面镜片的数量，达到降低生产成本的目的，同时能够保证高清晰度、低畸变的像质。

在本实用新型的一实施例中，第一透镜10为光学塑料材质。

本实施例中，显示单元81在工作过程中会产生热量，使得投影镜头中的塑料透镜容易受到高温的影响而产生形变，容易缩短其使用寿命，还会影响投影镜头的成像质量。由于第一透镜10在投影镜头中距离显示单元81最远，受高温影响最小，因此，可以设置第一透镜10为光学塑料材质，相比于光学玻璃，光学塑料具有可塑性强，重量轻，加工成本低的优点。

在本实用新型的一实施例中，第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40、第五透镜50以及第六透镜60均为光学玻璃材质。

由于在同等温度下，玻璃材质的受热畸变率远远低于塑料材质，具有较好的稳定性，因此，可以将靠近显示单元81的第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40第五透镜50以及第六透镜60设置为玻璃材质，从而最大程度上避免高温对投影镜头的影响。进一步地，为了降低制作成本，第六透镜60可以选择价格较低的常用模压玻璃。

在本实用新型的一实施例中，请参阅图1至2，投影镜头还包括：光阑70，光阑70设于第一胶合透镜和第二胶合透镜之间。

本实施例中，光阑70具体为孔径光阑70，光阑70用于限制通过的投影光线的直径，调节射出所述光学系统的光通量，同时减少其他透镜经过反射产生的杂散光干扰，从而使投影光线的成像更加清晰。通常，光阑70的孔径为一个固定值，当然，为了灵活调整成像清晰度，使投影镜头能够更好的适应高低分辨率的切换，还可以将光阑70设置为可以调整孔径大小的方式。

作为可选的实施方式，第一透镜10的焦距为f1，第一胶合透镜的焦距为f2/3，第二胶合透镜的焦距为f4/5，第六透镜60的焦距为f6，其中，-15.5<f1<-9.5，15.5<f2/3<22.5，-80.5<f4/5<-52.5，9.2<f6<16.5；投影镜头的焦距为f，其中，5.2<f<8.5。通过上述结构设置，可进一步优化本实用新型的投影镜头。

为了进一步优化投影镜头的性能，请参阅图3，本实用新型中举例说明各个透镜的表面曲率半径和厚度，以及各个透镜的折射率和阿贝数。其中，序号间隔位置的厚度表示为相邻两个透镜之间的距离。

表1：

本实施例中，投影镜头的投射比为1.2，具体地，投射比是指投影距离与投影画面宽度的比值。投影镜头的光圈比为大光圈F no1.7，极大程度上满足了投影镜头对亮度的要求。具体地，光圈比是指焦距与光圈直径的比值，当光圈比越小时，投影镜头的相对口径越大，通光量越大；当光圈比越大时，投影镜头的相对口径越小，通光量越小。投影镜头的像方远心光路在1°内，并且具备大视场角(视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角可用FOV表示)，视场角满足：50°<FOV<70°。投影镜头工作时是960×540分辨率。

基于表1的参数数据，请参阅图3，图3为投影镜头的各视场芯片面调制传递函数图，即MTF(ModulationTransferFunction)图，MTF图用于是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。投影设备的投影距离为1329mm，投影屏幕50寸为判断情况，以投影角度为视场取样间频率坐标，纵坐标为传递函数MTF值。可图3可知，MTF＞0.51@all field。

基于表1的参数数据，请参阅图4，图4为投影镜头的点列图；其中点列图是指由一点发出的许多光线经光学组件后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价所述投影光学系统的成像质量。均方根半径值和几何半径值越小成像质量越好。由图4可知，所有视场点列图均方根半径最大为3.2um，小于像素5.4um。

基于表1的参数数据，请参阅图5，图5为投影镜头的场曲与畸变图，其中，场曲是指像场弯曲，主要用于表示光学组件中，整个光束的交点与理想像点的不重合程度。畸变是指物体通过光学组件成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。由图5可知，畸变小于0.8％，满足目标即小于1％。

基于表1的参数数据，请参阅图6，图6为投影镜头的垂轴色差图，其中，垂轴色差是指又称为倍率色差，主要是指像方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在物方出射时变成多根光线，氢蓝光与氢红光在像面上的焦点位置的差值。

本实用新型还提出一种投影设备，请参阅图1至2，该投影设备包括投影镜头和显示单元81，该投影镜头的具体结构参照上述实施例，由于本投影设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。其中，显示单元81设于第六透镜60背离第二胶合透镜的一侧。

本实施例中，显示单元81可选数字微镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)芯片，具体大小为0.23英寸。DMD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正反两个方向进行偏转并锁定，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。当然，显示单元81也可以选用硅上液晶(Liquid Crystal On Silicon，LCOS)芯片或其他可用于出射光线的显示元件。

在本实用新型的一实施例中，请参阅图1至2，投影设备还包括：直角棱镜82，直角棱镜82设于第六透镜60和显示单元81之间。

本实施例中，棱镜82具体为直角棱镜82，直角边长为10.5mm。棱镜82可以将显示单元81发出光脉冲信号三色图像组合成一个图像，并将相应的投影光信号传递至投影镜头，以便后续图像的显示。

在本实用新型的一实施例中，请参阅图1至2，投影设备还包括：透明保护层83，透明保护层83设于显示单元81背离第六透镜60的一侧。

本实施例中，透明保护层83具体为一盖玻片，盖玻片的厚度为1.1㎜，盖玻片盖设于显示单元81的出光面，能够在保证很好的透光率的前提下，有效保护显示单元81，防止外界的灰尘进入显示单元81。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种投影镜头，其特征在于，由物方至像方沿同一光轴，包括：

第一透镜，所述第一透镜具有负光焦度；

第一胶合透镜，所述第一胶合透镜包括第二透镜和第三透镜，所述第二透镜位于所述第一透镜和所述第三透镜之间，且所述第二透镜和所述第三透镜相对的表面相互胶合，所述第一胶合透镜具有正光焦度；

第二胶合透镜，所述第二胶合透镜包括第四透镜和第五透镜，所述第四透镜位于所述第三透镜和所述第五透镜之间，且所述第四透镜和所述第五透镜相对的表面相互胶合，所述第二胶合透镜具有负光焦度；以及

第六透镜，所述第六透镜具有正光焦度。

2.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜朝向物方一侧的表面为凸面、朝向像方一侧的表面为凹面；

所述第二透镜朝向物方一侧的表面为凹面、朝向像方一侧的表面为凹面；

所述第三透镜朝向物方一侧的表面为凸面、朝向像方一侧的表面为凸面；

所述第四透镜朝向物方一侧的表面为凹面、朝向像方一侧的表面为凹面；

所述第五透镜朝向物方一侧的表面为凸面、朝向像方一侧的表面为凸面；

所述第六透镜朝向物方一侧的表面为凸面、朝向像方一侧的表面为凸面。

3.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜的焦距为f1，所述第一胶合透镜的焦距为f2/3，所述第二胶合透镜的焦距为f4/5，所述第六透镜的焦距为f6，

其中，-15.5<f1<-9.5，15.5<f2/3<22.5，-80.5<f4/5<-52.5，9.2<f6<16.5。

4.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的焦距为f，其中，5.2<f<8.5。

5.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜为非球面透镜；

和/或，所述第六透镜为非球面透镜。

6.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜为光学塑料材质；

和/或，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜以及所述第六透镜均为光学玻璃材质。

7.如权利要求1至6中任一项所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头还包括：

光阑，所述光阑设于所述第一胶合透镜和所述第二胶合透镜之间。

8.一种投影设备，其特征在于，所述投影设备包括如权利要求1至7中任一项所述的投影镜头以及显示单元，所述显示单元设于所述第六透镜背离所述第二胶合透镜的一侧。

9.如权利要求8所述的投影设备，其特征在于，所述投影设备还包括：

直角棱镜，所述直角棱镜设于所述第六透镜和所述显示单元之间。

10.如权利要求8或9所述的投影设备，其特征在于，所述投影设备还包括：

透明保护层，所述透明保护层设于所述显示单元背离所述第六透镜的一侧。

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