CN216526478U - 一种短焦镜头及短焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及短焦镜头技术领域，公开了一种短焦镜头，包括壳体和安装于壳体的内腔且在光路折射投射方向上依次布置的一个折射透镜组及非球面反射镜，折射透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向设置的：可在光轴方向前后移动的光焦度为正的后群透镜组，光焦度为负的中群透镜组，固定设置的光焦度为负的前群透镜组。本实用新型中的光学镜头在靠近图像源发射器一侧的后群和中群透镜组均使用玻璃材质的球面镜，而在距离图像源发射器较远的一侧的前群透镜组中的一块透镜以及反射镜采用塑胶材质的非球面透镜，通过减少非球面透镜的数量可降低加工成本，同时通过对各透镜的材质、面型及放置位置的控制可以减小在高温情况下画面的畸变程度。

Description

一种短焦镜头及短焦光学系统

技术领域

本实用新型涉及短焦镜头技术领域，具体涉及一种短焦镜头及短焦光学系统。

背景技术

近年来随着投影技术的发展，投影仪已经被广泛应用于各种场景中，其中，超短焦投影设备以其距离短投影画面大的特点，被广泛应用于家用及办公等领域。

现有的短焦镜头的光学系统为了实现了较小的设备体积，通常在光学镜头组中增加使用了较多的非球面镜来对光路进行处理，但是由于非球面镜的加工难度大导致设备制造成本增加，另外，由于非球面镜对误差较为敏感所以在安装时非球面镜对安装精度要求较高，由此也更加容易导致最终产品的制造良率低，无法进行大批量生产的问题。也有少部分镜头为了降低成本，直接大量采用塑胶材质的非球面镜，但是塑胶材质的非球面镜在产品使用过程中会因为高温发热产生形变，进而影响画面的最终呈现效果。目前市场上还没有超短焦镜头能够同时克服上述缺点。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

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种短焦镜头及短焦光学系统，该装置可在保证有较小的设备体积的情况下，降低设备制造成本并获得更加稳定优质的画面效果。

为了实现上述目的，本实用新型的第一目的在于提供一种短焦镜头的技术方案：

包括壳体和安装于所述壳体的内腔且在光路折射投射方向上依次布置的一个折射透镜组及非球面反射镜，所述折射透镜组的中心轴线为短焦镜头的光轴；

所述折射透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的：

可在所述光轴方向前后移动的后群透镜组，所述后群透镜组的光焦度为正；

中群透镜组，所述中群透镜组的光焦度为负；

在所述光轴方向固定设置的前群透镜组，所述前群透镜组的光焦度为负。本方案中通过调节后群透镜组及中群透镜组可获得较好的投射画面的成像效果。

在本实用新型中，进一步的，所述后群透镜组的焦距为20mm～30mm，所述中群透镜组的焦距为400mm～440mm，所述前群透镜组的焦距为-170mm～-150mm，所述非球面反射镜的焦距为15mm～25mm。

在本实用新型中，进一步的，所述中群透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的光焦度为正的第一中透镜、光焦度为负的第二中透镜及光焦度为正的第三中透镜，所述第一中透镜与第二中透镜胶合固定至一体，所述第三中透镜可在所述光轴方向前后移动。本方案中通过移动第三中透镜可以调节整个透镜组的焦距，进而可以调节在不同投影画面下的焦距，保证不同尺寸画面下的清晰度。

在本实用新型中，进一步的，所述后群透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的光焦度为正的第一后透镜、光焦度为正的第二后透镜、光焦度为负的第三后透镜、光焦度为正的第四后透镜、光焦度为负的第五后透镜及光焦度为正的第六后透镜，所述第二后透镜与第三后透镜胶合固定至一体，所述第五后透镜及第六后透镜胶合固定至一体，所述第二后透镜的色散系数大于第三后透镜的色散系数，所述第五后透镜的色散系数大于第六后透镜的色散系数。本方案中通过将所述第二后透镜与第三后透镜胶合固定至一体，所述第五后透镜及第六后透镜胶合固定至一体，且在两组胶合透镜中间夹设一组光焦度为正的第四后透镜形成一个近似对称的结构，由此可以很好的矫正色差及场曲。

在本实用新型中，进一步的，所述第二后透镜的色散系数与第三后透镜的色散系数的差值及所述第五后透镜的色散系数与第六后透镜的色散系数的差值落在40～50之间。本方案通过控制两组胶合的在一起的两组透镜的色散系数的大小差值来保证整个后群透镜组具有更好的色差和场曲的矫正效果。

在本实用新型中，进一步的，所述前群透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的光焦度为正的第一前透镜、光焦度为正的第二前透镜、光焦度为负的第三前透镜及光焦度为负的第四前透镜。在本方案中第一前透镜、第二前透镜及第三前透镜设置为三片独立分离式结构，可用于矫正像散和场曲。

在本实用新型中，进一步的，所述第一后透镜、第二后透镜、第三后透镜、第四后透镜、第五后透镜、第六后透镜、第一中透镜、第二中透镜及第三中透镜、第一前透镜、第二前透镜及第三前透镜均为玻璃球面透镜，所述第四前透镜为塑胶非球面透镜，所述非球面反射镜由塑胶材质制成，所述非球面反射镜的俯仰角度可调且该非球面反射镜可沿光轴方向进行移动。

在本实用新型中，进一步的，所述第四前透镜与非球面反射镜的表面形状满足以下方程：

其中，在公式中，参数c为半径所对应的曲率，r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；β₁至β₈分别表示各径向坐标所对应的系数。本方案中通过将第四前透镜设置为非球面的透镜由此可以便于矫正画面的TV畸变。

在本实用新型中，进一步的，所述短焦镜头的投射比在0.23～0.25

另外，本实用新型的第二目的在于提供一种短焦镜头光学系统，包括上述任意一项所述的一种短焦镜头，及图像源发射器，所述图像源发射器位于短焦镜头的图像入射侧，用于产生所述短焦镜头所要接受的图像光源。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型中的光学镜头采用前中后群的分组布置方式沿光轴进行排列设置，且在靠近图像源发射器一侧的后群和中群透镜组均使用玻璃材质的球面镜，而在距离图像源发射器较远的一侧的前群透镜组中的最后一块透镜以及反射镜采用塑胶材质的非球面透镜，一方面可以控制采用本镜头系统的短焦镜头的总长度在159-165mm之间，其总长度较小，另一方面还由于其远离图像源发射器，由此其所处的工作环境中的温度不会太高所以温度对其形状影响不会太大，由此一方面可减小设备的体积另一方面也可以在保证降低加工成本的情况下保证有较好的画面投射效果。

另外，位于靠近图像源发射器一侧的透镜组均采用球面玻璃透镜所以即使所处的工作环境的温度较高透镜也不会产生太大的形变，另外，在设计时可在球面透镜的面型参数的设计选择上加入温度变化对透镜形变影响的考虑，由此当温度升高后球面透镜的虽然有形变但是会由于其自身在厚度和曲率上的形变补偿可以抵消掉大部分因温度引起畸变，进而保持有较好的画面投射效果。

附图说明

图1为本实用新型中短焦光学镜头的结构示意图。

图2为本实用新型在60寸对角线视场的投影工作状态下20℃时的MTF值图。

图3为本实用新型在60寸对角线视场的投影工作状态下45℃时的MTF值图。

图4为本实用新型在60寸对角线视场的投影工作状态下70℃时的MTF值图。

图5为本实用新型在投射距离为60寸时的TV畸变图。

附图中：1、第一后透镜；2、第二后透镜；3、第三后透镜；4、第四后透镜；5、第五后透镜；6、第六后透镜；7、第一中透镜；8、第二中透镜；9、第三中透镜；10、第一前透镜；11、第二前透镜；12、第三前透镜；13、第四前透镜；14、非球面反射镜；15、图像源发射器。

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做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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请同时参见图1至图4，本实用新型一较佳实施方式提供一种短焦镜头，包括壳体和安装于壳体的内腔且在光路折射投射方向上依次布置的一个折射透镜组及非球面反射镜14，折射透镜组的中心轴线为短焦镜头的光轴；光轴与折射透镜组中的所有透镜的几何中心轴线重合。

折射透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的：

可在光轴方向前后移动的后群透镜组，后群透镜组的光焦度为正；后群透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的光焦度为正的第一后透镜1、光焦度为正的第二后透镜2、光焦度为负的第三后透镜3、光焦度为正的第四后透镜4、光焦度为负的第五后透镜5及光焦度为正的第六后透镜6，第二后透镜2与第三后透镜3通过光学胶水胶合固定至一体，第五后透镜5及第六后透镜6通过光学胶水胶合固定至一体，第二后透镜2的色散系数与第三后透镜3的色散系数的差值及第五后透镜5的色散系数与第六后透镜6的色散系数的差值落在40～50之间。后群透镜组行成像方远心光路。胶合的透镜是由高色散系数和低色散系数玻璃组合而成，第二后透镜2的色散系数大于第三后透镜3的色散系数，第五后透镜5的色散系数大于第六后透镜6的色散系数这种两组双胶合透镜中间夹设一个第四后透镜4这种近似对称结构能够很好的起到矫正色差和场曲的作用。后群透镜组在光轴方向上可相对于图像源发射器15进行移动调节，由此可以调节焦距，此设置的作用在于补偿在光机及镜头的装配安装中的造成的误差，可在产品出厂检测时方便检测调试人员进行出厂前的调试。

如图1所示，中群透镜组，中群透镜组的光焦度为负；中群透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的光焦度为正的第一中透镜7、光焦度为负的第二中透镜8及光焦度为正的第三中透镜9，第一中透镜7与第二中透镜8胶合固定至一体，第三中透镜9可在光轴方向前后移动。通过移动第三透镜的位置可以调节整个透镜组的焦距，进而可以方便使用者调节在不同投射尺寸画面上的清晰度以保证画面的投射效果。

在光轴方向固定设置的前群透镜组，前群透镜组的光焦度为负。前群透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的光焦度为正的第一前透镜10、光焦度为正的第二前透镜11、光焦度为负的第三前透镜12及光焦度为负的第四前透镜13。

后群透镜组的焦距为20mm～30mm，中群透镜组的焦距为400mm～440mm，前群透镜组的焦距为-170mm～-150mm，非球面反射镜14的焦距为15mm～25mm。

如图1所示，第一后透镜1、第二后透镜2、第三后透镜3、第四后透镜4、第五后透镜5、第六后透镜6、第一中透镜7、第二中透镜8及第三中透镜9、第一前透镜10、第二前透镜11及第三前透镜12均为玻璃球面透镜，第四前透镜13为塑胶非球面透镜，非球面反射镜14由塑胶材质制成。非球面反射镜14的可在光轴方向进行前后位移，同时非球面反射镜14的俯仰角度还可以进行调节。由此可以对最终投射出来画面的大小以及位置进行微调，以保证画面的投影位置的适当。

第四前透镜13与非球面反射镜14的表面形状满足以下方程：

其中，在公式中，参数c为半径所对应的曲率，r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；β1至β8分别表示各径向坐标所对应的系数。本实施例中短焦镜头的投射比为0.25，画面分别率为1080p。

以下为本实施例中所使用的各球面镜头的具体参数表：

第四前透镜13的S25及S26均为偶次非球面，厚度为3.53mm，S25的有效口径为31mm，S26的有效口径为33.5mm，采用ZEONEX-330R-2017材质制成，S25及S26的非球面表面的参数如下表所示：

非球面反射镜14表面系数如下：

在本实施例中的短焦镜头在60寸对角线视场中可或得最佳的投射效果，如图5所示，本实施例中的短焦镜头的在投射距离为60寸时的TV畸变为-0.1％，具有较好的对TV畸变的优化效果。

另外，如图2至图4所示，对本实施例中的短焦镜头在60寸对角线视场的投影的工作状态下，测试其在20℃、45℃及70℃时的MTF值。该MTF(调制传递函数)值图是对光学镜头最看重的分辨率等品质的测量，定义MTF值必定大于0，且小于1，在本技术领域MTF值越高，说明镜头的性能越优异，即分辨率高；图中纵坐标表示MTF值，横坐标为空间频率。通常温度越高镜头组的畸变越大投射出来的画面画质越差，由图中可知本实施例在即使70℃的高温情况下120lp/mm时依然可以保证MTF＞0.5，由此可知本实施例中的短焦镜头在高温情况下畸变较小，依然可保证具有较高的画面质量，耐高温的性能更加优异。

上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种短焦镜头，其特征在于，包括壳体和安装于所述壳体的内腔且在光路折射投射方向上依次布置的一个折射透镜组及非球面反射镜(14)，所述折射透镜组的中心轴线为短焦镜头的光轴；

所述折射透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的：

可在所述光轴方向前后移动的后群透镜组，所述后群透镜组的光焦度为正；

中群透镜组，所述中群透镜组的光焦度为负；

在所述光轴方向固定设置的前群透镜组，所述前群透镜组的光焦度为负。

2.根据权利要求1所述的一种短焦镜头，其特征在于，所述后群透镜组的焦距为20mm～30mm，所述中群透镜组的焦距为400mm～440mm，所述前群透镜组的焦距为-170mm～-150mm，所述非球面反射镜的焦距为15mm～25mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种短焦镜头，其特征在于，所述中群透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的光焦度为正的第一中透镜(7)、光焦度为负的第二中透镜(8)及光焦度为正的第三中透镜(9)，所述第一中透镜(7)与第二中透镜(8)胶合固定至一体，所述第三中透镜(9)可在所述光轴方向前后移动。

4.根据权利要求3所述的一种短焦镜头，其特征在于，所述后群透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的光焦度为正的第一后透镜(1)、光焦度为正的第二后透镜(2)、光焦度为负的第三后透镜(3)、光焦度为正的第四后透镜(4)、光焦度为负的第五后透镜(5)及光焦度为正的第六后透镜(6)，所述第二后透镜(2)与第三后透镜(3)胶合固定至一体，所述第五后透镜(5)及第六后透镜(6)胶合固定至一体，所述第二后透镜(2)的色散系数大于第三后透镜(3)的色散系数，所述第五后透镜(5)的色散系数大于第六后透镜(6)的色散系数。

5.根据权利要求4所述的一种短焦镜头，其特征在于，所述第二后透镜(2)的色散系数与第三后透镜(3)的色散系数的差值及所述第五后透镜(5)的色散系数与第六后透镜(6)的色散系数的差值落在40～50之间。

6.根据权利要求5所述的一种短焦镜头，其特征在于，所述前群透镜组包括沿光轴由图像入射侧到图像出射侧方向依次设置的光焦度为正的第一前透镜(10)、光焦度为正的第二前透镜(11)、光焦度为负的第三前透镜(12)及光焦度为负的第四前透镜(13)。

7.根据权利要求6所述的一种短焦镜头，其特征在于，所述第一后透镜(1)、第二后透镜(2)、第三后透镜(3)、第四后透镜(4)、第五后透镜(5)、第六后透镜(6)、第一中透镜(7)、第二中透镜(8)及第三中透镜(9)、第一前透镜(10)、第二前透镜(11)及第三前透镜(12)均为玻璃球面透镜，所述第四前透镜(13)为塑胶非球面透镜，所述非球面反射镜(14)由塑胶材质制成，所述非球面反射镜(14)的俯仰角度可调且该非球面反射镜(14)可沿光轴方向进行移动。

8.根据权利要求7所述的一种短焦镜头，其特征在于，所述第四前透镜(13)与非球面反射镜(14)的表面形状满足以下方程：

其中，在公式中，参数c为半径所对应的曲率，r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；β₁至β₈分别表示各径向坐标所对应的系数。

9.根据权利要求7所述的一种短焦镜头，其特征在于，所述短焦镜头的投射比在0.23～0.25。

10.一种短焦镜头光学系统，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的一种短焦镜头，及图像源发射器(15)，所述图像源发射器(15)位于短焦镜头的图像入射侧，用于产生所述短焦镜头所要接受的图像光源。

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