CN219609328U - 一种广角短焦投影镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种广角短焦投影镜头，包括后组、对焦组和前组三部分，后组至少含有一个非球面透镜和一个胶合透镜；对焦组至少含有一组正负透镜；前组包含大光焦度的正透镜组和负透镜组。本实用新型具有投影幅面大，分辨率高，工艺性好，成本低，高温下不虚焦的优点。

Description

一种广角短焦投影镜头

技术领域

本实用新型涉及投影镜头技术领域，具体为一种广角短焦投影镜头。

背景技术

近年来随着娱乐以及家庭影院的兴起，大投影幅面的投影机有着良好的观赏效果，受到市场青睐。

目前实现大幅面的投影效果的常见方式有两种：一种是采用折射镜头加反射镜组合而成的折反式镜头，这种折反式镜头容易实现大的幅面，缺点是含有较多的非球面镜片，一般4～5片，开模成本高，镜片组装公差较为敏感。另一种比较传统的是使用较小投射比的折射镜头，一般为反远距型的广角镜头，通过拉远投影距离来获得大的投影幅面，但容易受到场地和空间的限制。

如专利号为CN211528810U是一种较佳的镜头架构，对焦简单，但存在以下弊端：

一、投射比在1.1左右，比如要投出100英寸的屏幕，投影距离需要2.43米，此时投影机需要摆放在客厅中间，浪费空间及影响走动；

二、分辨率不足。专利CN211528810U使用1080P(1920*1080)分辨率，在大幅面下，颗粒感明显。因此，设计一种广角短焦投影镜头是很有必要的。

实用新型内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本实用新型提供一种广角短焦投影镜头，有效地解决了投影幅面小以及分辨率不足的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种广角短焦投影镜头，包括后组、对焦组和前组三部分；后组至少含有一个非球面透镜和一个胶合透镜，对焦组至少含有一组正负透镜，前组包含大光焦度的正透镜组和负透镜组。

优选地，后组非球面透镜为最靠近棱镜的第一透镜，胶合透镜为三胶合透镜且靠近光阑，对焦组中的负透镜靠近光阑，前组的大光焦度正透镜组仅由若干正透镜组成，负透镜组仅由若干负透镜组成，且正透镜组靠近对焦组，负透镜组靠近投影面。

优选地，后组三胶合透镜中，透镜的正负分布为：正-负-正，其中负透镜为高折射率Nd≥1.83低阿贝数Vd≤40材质，正透镜为低折射率Nd≤1.50高阿贝数Vd≥70材质，前组正透镜组中至少有一个透镜为高折射率Nd≥1.83材质，负透镜组中至少有一个透镜为高阿贝数Vd≥70材质。

优选地，对焦组整体光焦度较弱，光焦度绝对值在0～0.01范围内，前组正透镜组组合光焦度较强，光焦度绝对值大于0.03，前组负透镜组组合光焦度很强，光焦度绝对值大于0.1。

优选地，后组中三胶合透镜外形轮廓为两侧凸起的鼓型透镜，对焦组中正透镜外形轮廓为弯月透镜，前组正透镜组中至少有一个双凸正透镜，负透镜组中至少有一个双凹负透镜和一个弯月负透镜，且弯月负透镜靠近投影面。

优选地，由物侧至像侧顺序，所述后组包括：第一非球面正透镜、由第一球面正透镜、第二球面负透镜以及第三球面正透镜胶合而成的三胶合透镜；所述对焦组包括：光阑孔、第四球面负透镜和第五球面正透镜；所述前组包括：第六球面正透镜、第七球面正透镜、第八球面负透镜、第九球面负透镜和第二非球面负透镜。

本实用新型的有益效果为：

(1)通过合理使用非球面透镜和光焦度布局，投射比可达0.5，在保证最大性价比的情况下实现了近距离的大幅面投影。

本实用新型专利的后组使用一个玻璃非球面透镜，承担后组主要的光焦度、单色像差校正以及远心优化。由于非球面透镜表面不同孔径带具有不同的R值，使得它对于单色像差，尤其是孔径依赖性的像差，比如轴上球差和轴外球差，具备强大的校正能力，性价比远优于球面透镜，同时，为了尽可能减少温度引起的镜头跑焦，该非球面透镜采用热膨胀系数较小的玻璃材质。后组的“正-负-正”三胶合透镜的胶合面既有弯向光阑的，也有背向光阑的，利用胶合面上较大的光线角度以及两侧的折射率差，可以产生丰富并且多样化的高阶像差，对单色像差的校正能力很强。至于色差，通过低折射率高阿贝数的正透镜与高折射率低阿贝数的负透镜搭配，可以得到较好的校正。二级光谱则通过选择具有特殊色散系数的正透镜材质缓解。

对焦组，由一对正负透镜组成。由于对焦过程中，镜头的焦距基本维持不变，因此对焦组整体的光焦度会比较弱。光焦度较弱时，透镜的定心系数一般比较小，不易加工。由于像差校正一般需要正负光焦度的组合，因此使用分离的正负透镜，十分有利于像差的校正。对焦组在移动过程中，中心视场像差几乎不变，孔径边缘变化比较大。

前组的正透镜组由两个正透镜组成，考虑到公差问题，经常可以分裂成三个正透镜来分担光焦度，这并不是本质的差异。负透镜组由三个负透镜组成，包括两个双凹球面负透镜和一个弯月球面负透镜。弯月球面负透镜弯向光阑，主要是考虑到轴外光束入射角度过大容易造成大的像差，因此在弯月透镜的凸面，光线基本垂直入射。弯月透镜的负光焦度可以减小光线偏角，为后续透镜提供较小口径光束。两个双凹球面负透镜与正透镜组形成场曲校正系统。在光束口径较细的位置放置负透镜，口径较大的位置放置正透镜，可以利用光线高度作为杠杆，在总的光焦度绝对值之和较小的情况下，有力地校正场曲。考虑到光线角度偏大以及公差问题，可以增加负透镜来分担光焦度，实现更好的量产效果。

(2)拉大后焦距离，利用XPR技术提高视觉分辨率。

专利CN211528810U使用物理分辨率只有1920*1080，如果在棱镜和镜头之间插入一个平板玻璃，让平板玻璃按照一定的倾斜角度做周期往返运动，可以实现光线的微小偏移，如果使得光束按照“右→下→左→上”的顺序依次偏移0.5像素宽度，那么通过人眼的视觉暂留效应，当这样的光束偏移达到一定的速度时，可以在人脑内叠加出3840*2160的视觉分辨率，提升观影效果，这被称为DLP的XPR技术。

XPR技术需要更长的后焦，以容纳振镜以及避免振镜和DMD的结构干涉。这增加了镜头的难度，但通过在后组使用非球面透镜，可以减小设计难度。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的广角短焦投影镜头的结构示意图；

图2是本实用新型2(a)、图2(b)以及图2(c)分别为本实用新型的后组、对焦组以及前组的结构示意图；

图3为本实用新型投影镜头的光线路径示意图；

图4为光线经过本实用新型投影镜头的实际场景示意图；

图5为本实用新型成像质量的模拟图，其中图5(a)和图5(b)分别为本实用新型的广角短焦投影镜头在20℃下，81英寸和238英寸投影画面时，屏幕处的垂轴色差图，81英寸投影画面尺寸时，像素大小为937um，238英寸投影画面尺寸时，像素大小为2744um；

图6为本实用新型成像质量的模拟图，其中图6(a)和图6(b)分别为本实用新型的超短焦投影镜头在20℃下，81英寸和238英寸投影画面时，屏幕处的横向光扇图，图6(a)的比例尺为±2000um，图6(b)的比例尺为±4000um；

图7为本实用新型成像质量的模拟图，其中图7(a)和图7(b)分别为本实用新型的超短焦投影镜头在81英寸投影画面下，环境温度20℃和50℃时，屏幕处的MTF图，81英寸投影画面下，MTF观察线对为0.536lp/mm；

图8为本实用新型成像质量的模拟图，其中图8(a)和图8(b)分别为本实用新型的超短焦投影镜头在238英寸投影画面下，环境温度20℃和50℃时，屏幕处的MTF图，238英寸投影画面下，MTF观察线对为0.183lp/mm；

图中标号：

100 广角短焦投影镜头

101 显示芯片

102 显示芯片保护玻璃

103 等效棱镜

104 振镜的平板玻璃

110 后组

111 第一非球面正透镜

112 第一球面正透镜

113 第二球面负透镜

114 第三球面正透镜

120 对焦组

121 光阑

122 第四球面负透镜

123 第五球面正透镜

130 前组

131 第六球面正透镜

132 第七球面正透镜

133 第八球面负透镜

134 第九球面负透镜

135 第二非球面负透镜。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。

参考图1-图8(b)，其为本实用新型的短焦投影镜头的结构示意图，依光线传播之先后顺序，本实用新型的短焦投影镜头100，该投影镜头100包括显示芯片101、显示芯片保护玻璃102、等效棱镜103、振镜的平板玻璃104、后组110、对焦组120以及前组130；其中后组110包括第一非球面正透镜111、第一球面正透镜112、第二球面负透镜113以及第三球面正透镜114，对焦组120包括光阑121、第四球面负透镜122以及第五球面正透镜123；前组包括第六球面正透镜131、第七球面正透镜132、第八球面负透镜133、第九球面负透镜134和第二非球面负透镜135。

本实用新型的芯片101，其一般是指数字微镜阵列(DMD)。

参考图2(a)，为本实用新型的后组结构示意图，其中，第一非球面正透镜111位于透镜组的最左侧，靠近芯片101，为折射系统的第一非球面正透镜，第一球面正透镜112、第二球面负透镜113以及第三球面正透镜114胶合成一个轮廓形状为两侧凸起的三胶合透镜。

在后组中，第一非球面正透镜111表面上各个视场的光束相对分散，重叠区域相对该组中其他透镜较少，在使用非球面面型时，可以较为有利地校正不同视场的光线角度和像差，使系统保持物方远心状态，提高亮度。

由第一球面正透镜112、第二球面负透镜113以及第三球面正透镜114胶合而成的三胶合透镜，对色差、二级光谱的校正起着关键性的作用，主要通过胶合面对球差、彗差和像散进行校正，使用三胶合透镜而不是双胶合透镜的优点一方面是使得色差和二级光谱得到良好校正的同时，具有更多的材料选择空间，另一方面，两个胶合面可以产生不同的高阶像差，可以比较方便地补偿镜头系统的初阶像差，达到像质的平衡。

参考图2(b)，为本实用新型的对焦组结构示意图，对焦组的整体光焦度接近于零在0～0.01范围内，对焦组120可在不同的投影距离下，通过轴向移动，实现投影画面的清晰聚焦，对焦组的正负分离透镜组合在移动的过程中，对中心视场几乎不产生印象，但随着口径的增加，光线在透镜表面的入射角度开始逐渐增大，使得孔径边缘的像差变化比较剧烈，通过对下视场和边缘视场的光线角度差异，使之得以兼容不同投影距离带来的微妙的像差变化。

参考图2(c)，为本实用新型的前组结构示意图，其中，第六球面正透镜131和第七球面正透镜132，组成前组的正透镜组，第八球面负透镜133、第九球面负透镜134和第二非球面负透镜135组成前组的负透镜组，正透镜组中由于承担光焦度的要求，至少需要一个正透镜折射率大于1.83，但考虑到其他像差的平衡，另一个透镜材质为中等折射率及中等阿贝数，这是通过调整折射率的方式来调整透镜表面曲率，以此产生适当的高阶像差。

负透镜组中第九球面负透镜134为低折射率高阿贝数材质，主要是为了减小色差的引入，正透镜组和负透镜组的搭配组合，可以有效校正场曲，达到平场的效果。

第二非球面负透镜具有庞大的口径，大口径使得各个视场的光束在透镜表面上比较分散，这样比较容易针对不同的孔径带调整非球面系数，以适应不同视场的像差校正要求。

上述设计例的光学参数值显示如下表1，且上述非球面曲线的方程如下：

公式中，c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位与透镜长度单位相同，k为圆锥系数，r₂～r₁₆分别表示各径向坐标所对应的系数。

图5(a)和图5(b)分别为在20℃下，81英寸和238英寸投影画面时，屏幕处的垂轴色差图，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，81英寸投影画面尺寸时，像素大小为937um，238英寸投影画面尺寸时，像素大小为2744um，在各个物面高度上，可以看到每一处位置的横向色差不超过0.6像素，具有低横向色差的特征。

图6(a)和图6(b)分别为在20℃下，81英寸和238英寸投影画面时，屏幕处的横向光扇图，横坐标表示归一化入瞳，纵坐标是光线在像面偏离主光线的值，其横轴为图6(a)的比例尺为±2000um，图6(b)的比例尺为±4000um，由横向光扇图可以看出，小孔径和中等孔径的曲线比较靠近横轴，成像质量良好，边缘孔径光线较为发散，这在一定程度上可以柔和芯片像素与像素之间的拼接缝隙，降低观影时的颗粒感。

图7(a)和图7(b)分别为，在81英寸投影画面下，环境温度20℃和50℃时，屏幕处的MTF图，81英寸投影画面下，MTF观察线对为0.537lp/mm，MTF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7(a)和图7(b)可以看出，环境温度20℃和50℃时，可见光波段在空间频率为0.537lp/mm时，全视场的MTF≥0.5，像质良好。

图8(a)和图8(b)分别为，在238英寸投影画面下，环境温度20℃和50℃时，屏幕处的MTF图，238英寸投影画面下，MTF观察线对为0.183lp/mm；从图8(a)和图8(b)可以看出，环境温度20℃和50℃时，可见光波段在空间频率为0.183lp/mm时，全视场的MTF≥0.5，像质良好。

以下案例为适用于0.47英寸DMD，投射比TR＝0.5，偏移量OFFSET＝100％，F#＝1.7的超短焦投影镜头，其实际设计参数参考表1～表2

表1：

表2：

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。

Claims (6)

1.一种广角短焦投影镜头，包括后组、对焦组和前组三部分，其特征在于：

后组至少含有一个非球面透镜和一个胶合透镜；

对焦组至少含有一组正负透镜；

前组包含大光焦度的正透镜组和负透镜组。

2.根据权利要求1所述的一种广角短焦投影镜头，其特征在于：

后组非球面透镜为最靠近棱镜的第一透镜，胶合透镜为三胶合透镜且靠近光阑；

对焦组中的负透镜靠近光阑；

前组的大光焦度正透镜组仅由若干正透镜组成，负透镜组仅由若干负透镜组成，且正透镜组靠近对焦组，负透镜组靠近投影面。

3.根据权利要求1所述的一种广角短焦投影镜头，其特征在于：

后组三胶合透镜中，透镜的正负分布为：正-负-正，其中负透镜为高折射率Nd≥1.83低阿贝数Vd≤40材质，正透镜为低折射率Nd≤1.50高阿贝数Vd≥70材质；

前组正透镜组中至少有一个透镜为高折射率Nd≥1.83材质，负透镜组中至少有一个透镜为高阿贝数Vd≥70材质。

4.根据权利要求1所述的一种广角短焦投影镜头，其特征在于：

对焦组整体光焦度较弱，光焦度绝对值在0～0.01范围内；

前组正透镜组组合光焦度较强，光焦度绝对值大于0.03；

前组负透镜组组合光焦度很强，光焦度绝对值大于0.1。

5.根据权利要求2所述的一种广角短焦投影镜头，其特征在于：

后组中三胶合透镜外形轮廓为两侧凸起的鼓型透镜；

对焦组中正透镜外形轮廓为弯月透镜；

前组正透镜组中至少有一个双凸正透镜，负透镜组中至少有一个双凹负透镜和一个弯月负透镜，且弯月负透镜靠近投影面。

6.根据权利要求1～5任一权利要求所述的一种广角短焦投影镜头，其特征在于：

由物侧至像侧顺序，所述后组包括：第一非球面正透镜、由第一球面正透镜、第二球面负透镜以及第三球面正透镜胶合而成的三胶合透镜；

所述对焦组包括：光阑孔、第四球面负透镜和第五球面正透镜；

所述前组包括：第六球面正透镜、第七球面正透镜、第八球面负透镜、第九球面负透镜和第二非球面负透镜。