CN218848443U - 超短焦光学系统和投影设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种超短焦光学系统和投影设备，超短焦光学系统自物侧至像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二透镜、光焦度为负的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、光焦度为正的第六透镜、光焦度为正的第七透镜、光焦度为负的第八透镜、光焦度为正的第九透镜、光焦度为正的第十透镜、等效棱镜和感光芯片，超短焦光学系统的总长控制在51mm以内，投射比达到0.55。通过所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第九透镜均为塑胶透镜，极大的减少成本，并且通过十个透镜采用折射式光路，而非折射加反射光学结构，使得组装更简单、制造成本更低，以提供一种体积小、镜片数量少的低成本超短焦光学系统。

Description

超短焦光学系统和投影设备

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及超短焦光学系统和投影设备。

背景技术

超短焦投影机的特点是短距离即可投出大画面，对于观影以及安装都提供了便利，尤其是新兴的桌面投影，要求更小的体积，更近的距离投影。

市场上的超短焦投影机搭配的镜头多为折射加反射的光学结构，制造难度大，成本高，也有折射式的超短焦结构，为校正畸变，镜片数量多，体积大，导致成本高。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种超短焦光学系统和投影设备，旨在提供一种体积小、镜片数量少的低成本超短焦光学系统。

为实现上述目的，本实用新型提出的一种超短焦光学系统，所述超短焦光学系统具有沿光轴方向呈相对设置的物侧和像侧，所述超短焦光学系统包括自物侧至像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二透镜、光焦度为负的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、光焦度为正的第六透镜、光焦度为正的第七透镜、光焦度为负的第八透镜、光焦度为正的第九透镜、光焦度为正的第十透镜、等效棱镜和感光芯片，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第九透镜均为塑胶透镜，所述超短焦光学系统的光学总长TTL≤51mm，透射比能够达到0.55。

可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第九透镜为非球面透镜；

所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜和所述第十透镜均为球面透镜。

可选地，所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜和所述第十透镜均为玻璃透镜。

可选地，所述超短焦光学系统还满足以下条件：

且

且

且

且

且

且

其中，

为所述第一透镜的光焦度，

为所述第二透镜的光焦度，

为所述第三透镜的光焦度，

为所述第四透镜的光焦度，

为所述第五透镜的光焦度，

为所述第六透镜的光焦度，

为所述第七透镜的光焦度，

为所述第八透镜的光焦度，

为所述第九透镜的光焦度，

为所述第十透镜的光焦度。

可选地，所述超短焦光学系统还满足以下条件：

其中，

为所述第一透镜的光焦度，

为所述第二透镜的光焦度，

为所述第三透镜的光焦度，

为所述第九透镜的光焦度。

可选地，所述第七透镜和所述第八透镜胶合连接形成胶合透镜。

可选地，所述超短焦光学系统还满足以下条件：4＜T1/T2＜5；

其中，T1为所述第一透镜与所述第十透镜在所述光轴方向上的中心距离，T2为所述第十透镜与所述感光芯片在所述光轴方向上的中心距离。

可选地，所述超短焦光学系统还包括光阑，所述光阑设于所述第六透镜和所述第七透镜之间。

可选地，所述超短焦光学系统还包括保护玻璃，所述保护玻璃设于所述等效棱镜和所述感光芯片之间。

本实用新型还提供一种投影设备，所述投影设备包括上述的超短焦光学系统。

本实用新型提供的技术方案中，光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二透镜、光焦度为负的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、光焦度为正的第六透镜、光焦度为正的第七透镜、光焦度为负的第八透镜、光焦度为正的第九透镜、光焦度为正的第十透镜、等效棱镜和感光芯片，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第九透镜均为塑胶透镜，通过所述第一透镜设置为弯月透镜，且像侧面弯向所述感光芯片，减小进入后面透镜的光线的角度，校正大角度光线的畸变，所述第二透镜也设置为弯月透镜，且像侧面弯向所述感光芯片，进一步地减小进入后面透镜的光线的角度，校正大角度光线的畸变，所述第三透镜也设置为弯月透镜，且像侧面弯向所述感光芯片，校正残余畸变值，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜可使得所述超短焦光学系统获得较小的投射比值数，所述第四透镜光焦度为负，转折光线，增大进入后面透镜的光线的高度，实现较大的光圈，所述第五透镜和所述第六透镜校正光瞳像差，所述第七透镜和所述第八透镜校正系统的色差，所述第九透镜将光线的高度增加，所述第十透镜进一步收敛光线，使得出射光线能以较小的角度入射到棱镜上，随后进入所述感光芯片，使得所述超短焦光学系统具有较高的分辨率，通过上述十个透镜按照光焦度负负负负正正正负正正的顺序从投射面到所述感光芯片依次排列，可实现较小的总长，使得所述第一透镜与所述感光芯片的距离控制在51mm以内，投射比能够达到0.55，以提供一种体积小、镜片数量少的低成本超短焦光学系统。

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为本实用新型提供的超短焦光学系统的结构示意图；

图2为图1中的超短焦光学系统的常温下MTF示意图；

图3为图1中的超短焦光学系统的高温下MTF示意图；

图4为图1中的超短焦光学系统的场区畸变/场曲示意图。

附图标号说明：

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，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。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。

超短焦投影机的特点是短距离即可投出大画面，对于观影以及安装都提供了便利，尤其是新兴的桌面投影，要求更小的体积，更近的距离投影。市场上的超短焦投影机搭配的镜头多为折射加反射的光学结构，制造难度大，成本高，也有折射式的超短焦结构，为校正畸变，镜片数量多，体积大，导致成本高。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种超短焦光学系统，图1至图4为本实用新型提供的超短焦光学系统的具体实施例。

请参阅图1，所述超短焦光学系统具有沿光轴方向呈相对设置的物侧和像侧，所述超短焦光学系统包括自物侧至像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜1、光焦度为负的第二透镜2、光焦度为负的第三透镜3、光焦度为负的第四透镜4、光焦度为正的第五透镜5、光焦度为正的第六透镜6、光焦度为正的第七透镜7、光焦度为负的第八透镜8、光焦度为正的第九透镜9、光焦度为正的第十透镜10、等效棱镜11和感光芯片12，所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第九透镜9均为塑胶透镜，所述超短焦光学系统的光学总长TTL≤51mm，投射比能够达到0.55。

本实用新型提供的技术方案中，光焦度为负的第一透镜1、光焦度为负的第二透镜2、光焦度为负的第三透镜3、光焦度为负的第四透镜4、光焦度为正的第五透镜5、光焦度为正的第六透镜6、光焦度为正的第七透镜7、光焦度为负的第八透镜8、光焦度为正的第九透镜9、光焦度为正的第十透镜10、等效棱镜11和感光芯片12，所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第九透镜9均为塑胶透镜，通过所述第一透镜1设置为弯月透镜，且像侧面弯向所述感光芯片12，减小进入后面透镜的光线的角度，校正大角度光线的畸变，所述第二透镜2也设置为弯月透镜，且像侧面弯向所述感光芯片12，进一步地减小进入后面透镜的光线的角度，校正大角度光线的畸变，所述第三透镜3也设置为弯月透镜，且像侧面弯向所述感光芯片12，校正残余畸变值，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3可使得所述超短焦光学系统获得较小的投射比值数，所述第四透镜4光焦度为负，转折光线，增大进入后面透镜的光线的高度，实现较大的光圈，所述第五透镜5和所述第六透镜6校正光瞳像差，所述第七透镜7和所述第八透镜8校正系统的色差，所述第九透镜9将光线的高度增加，所述第十透镜10进一步收敛光线，使得出射光线能以较小的角度入射到棱镜上，随后进入所述感光芯片12，使得所述超短焦光学系统具有较高的分辨率，通过上述十个透镜按照光焦度负负负负正正正负正正的顺序从投射面到所述感光芯片12依次排列，可实现较小的总长，使得所述第一透镜1与所述感光芯片12的距离控制在51mm以内，投射比能够达到0.55，以提供一种体积小、镜片数量少的低成本超短焦光学系统。

需要说明的是，塑胶镜头的抗冲击能力较强，重量较轻，同时成本也低，在实用新型的方案中，设置所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述第三透镜3和所述第九透镜9四个塑胶材质，从而使得成本能够大大的减小。

还需要说明的是，所述超短焦光学系统中的各个透镜依次布设，采用折射式的光路，使得组装简单，制造成本更低。

具体地，非球面镜片的特点是：从镜片中心到镜片周边，曲率是连续变化的，与从镜片中心到镜片周边具有恒定曲率的球面镜片不同，非球面镜片具有更佳的曲率半径特性，具有改善歪曲像差及改善像散像差的优点，故，在本实施例中，所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4、所述第九透镜9为非球面透镜，采用非球面镜片后，能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，从而提升镜头的成像质量。

在本实施例中，所述第五透镜5、所述第六透镜6、所述第七透镜7、所述第八透镜8和所述第十透镜10均为球面透镜。如此，在保证像质和可靠性的前提下，减少成本，组装敏感度较低，提升了成品良率。同时使用球面和非球面，既控制了成本，又将镜头的体积大幅的缩短。

具体地，因塑胶材料受环境温度影响的化学特性较为不稳定，其折射率相较全玻璃镜头较弱，导致画面还原度上差于全玻璃镜头，为了保证所述超短焦光学系统受温度变化的稳定性，在本实施例中，所述第四透镜4、所述第五透镜5、所述第六透镜6、所述第七透镜7、所述第八透镜8和所述第十透镜10均为玻璃透镜。因玻璃透镜不容易受热胀冷缩的影响出现跑焦现象，因此玻璃透镜可以很好的抵抗镜头受热变形的问题，长时间保持镜头的高精度。所述超短焦光学系统采用玻塑混合材质，不仅节省成本，抗冲击能力也较强，还保证了系统的稳定性和高低温的适用性。

具体地，在本实施例中，所述超短焦光学系统还满足以下条件：

且

且

且

且

且

且

其中，

为所述第一透镜1的光焦度，

为所述第二透镜2的光焦度，

为所述第三透镜3的光焦度，

为所述第四透镜4的光焦度，

为所述第五透镜5的光焦度，

为所述第六透镜6的光焦度，

为所述第七透镜7的光焦度，

为所述第八透镜8的光焦度，

为所述第九透镜9的光焦度，

为所述第十透镜10的光焦度。光焦度等于像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，它表征透镜的偏折光线的能力，通过合理的设置十个透镜的光焦度的比值范围的约束限制，使得光束能够按照所需设计的方向进行投射，使各个镜片上的球差，慧差，像散等相互补偿抵消，以达到清晰成像的效果。

具体地，所述超短焦光学系统还满足以下条件：4＜T1/T2＜5；其中，T1为所述第一透镜1与所述第十透镜10在所述光轴方向上的中心距离，T2为所述第十透镜10与所述感光芯片12在所述光轴方向上的中心距离。

通过各透镜的光焦度的比值的限制，以及所述第一透镜1、所述第十透镜10和所述感光芯片12之间的比值限定，使得光学总长控制在51mm以内，可实现较小的总长，极大的减小系统的体积。

具体地，在本实施例中，所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述第三透镜3和所述超短焦光学系统还满足以下条件：

其中，

为所述第一透镜1的光焦度，

为所述第二透镜2的光焦度，

为所述第三透镜3的光焦度，

为所述第九透镜9的光焦度。所述超短焦光学系统按照此光焦度搭配，可实现环境温度为35℃时，工作状态不失焦。

具体地，为了让光学元器件改善超短焦光学系统象质，减少光能损失，增加成像清晰度，保护刻度面，进一步优化加工流程达到设计要求，在本实施例中，所述第七透镜7和所述第八透镜8胶合连接形成胶合透镜，合理的使用胶合件，合适分配光焦度，结合玻璃材料的热参数，很好的矫正像差及实现高低温无热化的效果，同时清晰的效果。

进一步地，在本实施例中，所述超短焦光学系统还包括光阑13，所述光阑13设于所述第六透镜6和所述第七透镜7之间。光阑13限制轴上光束通光口径在变焦过程中拦掉部分光线，减少了光斑、提高了图像对比度，并有助于提升像质。

进一步地，在本实施例中，所述超短焦光学系统还包括保护玻璃，所述保护玻璃设于所述等效棱镜11和所述感光芯片12之间。所述保护玻璃可为感光芯片12IMAGE提供有效保护，所述保护玻璃可以设置为滤光片，滤光片可有效滤掉非工作波段的杂光，以减小光噪声，为后续的光电模块处理部分减小困难，从而提高成像质量。

具体地，所述感光芯片12朝向所述物侧的表面为成像面，即可以为CCD或者CMOS等摄像元件的表面，可以理解的是，携带被摄物体信息的光线能够依次经过所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4、所述第五透镜5、所述第六透镜6、所述第七透镜7、所述第八透镜8、所述第九透镜9、所述第十透镜10和所述等效棱镜11，并最终成像于所述成像面上。

具体地，以下案例为超短焦光学系统的的光学总长为51mm，投射比为0.55的投影镜头的实际设计参数，镜片的材质折射率，曲率半径，厚度间隔如下表1所示：

表1

进一步地，在本实施例中，非球面透镜的非球面表面形状满足以下条件：

其中，c为半径所对应的曲率，y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时面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时为抛物线，当k系数介于-1到0之间时为椭圆，当k系数等于0时为圆形，当k系数大于0时为扁圆形，a₁至a₈分别表示各径向坐标所对应的系数)请参照下表2至表9，通过以上参数即可设定透镜物侧面和像侧面非球面的形状尺寸。

表2第一透镜S1表面对应的圆锥系数和非球面系数：

表3第一透镜S2表面对应的圆锥系数和非球面系数：

	S2
		k	-0.9139382
a1	0
		a2	-0.00034099915
a3	5.021952e-006
		a4	-7.2348642e-008
a5	3.4398043e-010
		a6	2.0384992e-012
a7	-2.8138341e-014
		a8	8.4269835e-017

表4第二透镜S3表面对应的圆锥系数和非球面系数：

	S3
		k	-0.9311752
a1	0
		a2	-0.0001552319
a3	3.5026444e-005
		a4	-1.3386331e-006
a5	2.2736863e-008
		a6	-1.9956869e-010
a7	8.8440302e-013
		a8	-1.553883e-015

表5第二透镜S4表面对应的圆锥系数和非球面系数：

表6第三透镜S5表面对应的圆锥系数和非球面系数：

	S5
		k	-0.9980686
a1	0
		a2	0.0012419735
a3	1.1893081e-005
		a4	1.2167983e-006
a5	-1.8950758e-007
		a6	6.3423128e-009
a7	-8.7135145e-011
		a8	4.6523548e-013

表7第三透镜S6表面对应的圆锥系数和非球面系数：

	S6
		k	-1.163029
a1	0
		a2	0.0012419735
a3	1.1893081e-005
		a4	1.2167983e-006
a5	-1.8950758e-007
		a6	6.3423128e-009
a7	-8.7135145e-011
		a8	4.6523548e-013

表8第九透镜S17表面对应的圆锥系数和非球面系数：

表9第九透镜S18表面对应的圆锥系数和非球面系数：

图2显示所述超短焦光学系统在常温25℃的MTF曲线图，图3显示所述超短焦光学系统在高温80℃的MTF曲线图，图4显示所述超短焦光学系统的畸变图(distortion)以及场曲图(field curvature)。

由上述图可知，本实施例中的所述超短焦光学系统的球面像差、场曲以及畸变均能够获得良好的校正。

综上所述，所述超短焦光学系统的光学总长控制在51mm以内，体积较小，投射比能够达到0.55。

本实用新型还提供一种投影设备，所述投影设备包括上述技术方案所述的超短焦光学系统，该超短焦光学系统的具体结构参照上述实施例，由于本超短焦光学系统的超短焦光学系统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。

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实用新型构思下，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)

1.一种超短焦光学系统，其特征在于，所述超短焦光学系统具有沿光轴方向呈相对设置的物侧和像侧，所述超短焦光学系统包括自物侧至像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二透镜、光焦度为负的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、光焦度为正的第六透镜、光焦度为正的第七透镜、光焦度为负的第八透镜、光焦度为正的第九透镜、光焦度为正的第十透镜、等效棱镜和感光芯片，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第九透镜均为塑胶透镜，所述超短焦光学系统的光学总长TTL≤51mm，投射比能够达到0.55。

2.如权利要求1所述的超短焦光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第九透镜为非球面透镜；

所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜和所述第十透镜均为球面透镜。

3.如权利要求1所述的超短焦光学系统，其特征在于，所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜和所述第十透镜均为玻璃透镜。

4.如权利要求1所述的超短焦光学系统，其特征在于，所述超短焦光学系统还满足以下条件：

且

且

且

且

且

且

其中，

为所述第一透镜的光焦度，

为所述第二透镜的光焦度，

为所述第三透镜的光焦度，

为所述第四透镜的光焦度，

为所述第五透镜的光焦度，

为所述第六透镜的光焦度，

为所述第七透镜的光焦度，

为所述第八透镜的光焦度，

为所述第九透镜的光焦度，

为所述第十透镜的光焦度。

5.如权利要求1所述的超短焦光学系统，其特征在于，所述超短焦光学系统还满足以下条件：

其中，

为所述第一透镜的光焦度，

为所述第二透镜的光焦度，

为所述第三透镜的光焦度，

为所述第九透镜的光焦度。

6.如权利要求1所述的超短焦光学系统，其特征在于，所述第七透镜和所述第八透镜胶合连接形成胶合透镜。

7.如权利要求1所述的超短焦光学系统，其特征在于，所述超短焦光学系统还满足以下条件：4＜T1/T2＜5；

其中，T1为所述第一透镜与所述第十透镜在所述光轴方向上的中心距离，T2为所述第十透镜与所述感光芯片在所述光轴方向上的中心距离。

8.如权利要求1所述的超短焦光学系统，其特征在于，所述超短焦光学系统还包括光阑，所述光阑设于所述第六透镜和所述第七透镜之间。

9.如权利要求1所述的超短焦光学系统，其特征在于，所述超短焦光学系统还包括保护玻璃，所述保护玻璃设于所述等效棱镜和所述感光芯片之间。

10.一种投影设备，其特征在于，如权利要求1至9中任意一项所述的超短焦光学系统。

Images