CN105158884A - 一种超短焦投影镜头*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短焦投影镜头***，适用于DLP数字投影仪，可以实现短距离内投影出大画面的效果。该镜头***由显示芯片、折射透镜组和非球面反射镜组成，光线从显示芯片射出，经过折射透镜组后，通过非球面反射镜成像于屏幕。其中：所述显示芯片为数字微镜器件DMD，所述折射透镜组包括从左到右且从小到大排列的12片玻璃球面透镜和1片PMMA树脂非球面透镜；所述非球面反射镜从自由曲面计算拟合而来，校正场曲和畸变；所有光学面为旋转对称结构，折射透镜组光学中心共轴，无胶合透镜，非球面反射镜偏心。此超短焦投影镜头***视场大，畸变小，能够在很短的距离内投影出高清大画面，而且结构简单，公差优良，全部使用常用环保玻璃，适合规模生产。

Description

一种超短焦投影镜头***

技术领域

本发明涉及光电显示行业中的投影技术，尤其涉及用于成像显示的超短焦投影镜头***。

背景技术

近年来投影显示技术获得了长足的发展，得益于高亮度光源、光学加工和超高分辨率像源等技术的日益成熟。其中短焦投影技术因为其出色的优势，短距离投影大画面，一直是投影机市场的热点，在发展过程中迅速受到了广大用户的喜爱。

短焦投影目前所采用的技术主要是广角式鱼眼镜头，属于折射式设计，投影镜头全部由透镜组成，这种折射投影镜头由于结构的限制，随着视场角和F数的增大，会造成各种色差、轴外像差、场曲和畸变等问题的出现，因此无法获得更大的视场角和更短的投影距离。为了解决此问题，超短焦设计技术应运而生，在折射透镜组的前面增加一片特殊设计的反射镜，可以实现超短距离投影出大画面的要求，突破了短焦投影镜头的极限，投射比达0.38以下。

针对超短焦投影镜头***，目前国内外都做出了一些研究成果，如：

公开号为US8482851B2的美国专利公开了一种包含15片折射透镜和1片凹面非球面反射镜的超短焦投影镜头***，其折射透镜组部分使用了4面非球面。因为使用的是远心光学***，必须搭配笨重且占体积的棱镜***。此种镜头虽然实现超短距离投影大画面的效果，但结构过于复杂，光学透镜数量达15片，光路过长，且包含多面非球面和3块双胶合透镜，导致加工、装配工艺复杂，精度不易保证，良品率低。

公开号为CN203745713U的中国专利介绍了包含13片折射透镜和1片凹面非球面反射镜的超短焦投影镜头***，虽然折射透镜的数量减少了，但同样使用的是远心光学***，需要棱镜，且折射透镜组部分使用的非球面数量超过2面，同时也用到了3块双胶合透镜，会导致上述专利同样的加工装配问题。另外，其折射透镜部分的光学中心不共轴，这会使实际的公差性能难以控制。

公开号为CN203858407U、CN202995130U的中国专利公开的两款超短焦镜头采用的是纯折射式设计，因而从原理上不能达到超短焦镜头的标准。其对应的投射比为0.45和0.4，大于0.38，并不符合超短焦镜头的界定。

上述代表性专利都采用远心光学***设计，因而需要搭配笨重且占体积的棱镜***，还会导致投影机投射画面对比度不高，而且在折射透镜组部分都使用了双胶合透镜和2片以上的非球面透镜，会带来加工装配工艺复杂、制造成本高、精度不易保证、良品率低等问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种超短焦投影镜头***，无需笨重占体积的棱镜***，不包含任何形式的胶合透镜，只含有一片非球面透镜，能在超短距离内实现大画面投影。

本发明提供的一个技术方案是，一种超短焦投影镜头***，包括沿光路依次排列的：

显示芯片，是一种数字微镜器件DMD(DigitalMicro-mirrorDevice)，用于调制投影机中从照明***来的光束，以显示微图像，充当镜头***的物面；

折射透镜组，用于平衡整个成像***的像差，包含球差、慧差、象散、色差，并成一弯曲的实像于后续反射镜前；

非球面反射镜，用于校正所述折射透镜组的残留像差，包含场曲和畸变，并反射光线，把图像最终成像于屏幕。

所述超短焦投影镜头***采用非远心光学***设计，不含棱镜。整个折射透镜组的所有透镜光学中心共轴，为主光轴，显示芯片相对于主光轴有偏置，非球面反射镜相对于主光轴有偏心。

优选的，所述折射透镜组一共包含十三片透镜，前十二片全部使用常用环保型玻璃，最后一片透镜材质为PMMA树脂塑料。

其中，所述折射透镜组不包含任何形式的胶合透镜，且从左到右透镜的口径依次增大，便于后续机械结构设计和装配。

优选的，所述折射透镜组只包含一面非球面，位于最后一片材质为PMMA树脂的透镜的第二面，用来校正轴外像差；因为只包含一面非球面，能降低***的公差敏感性，有效减少生产、检验、装配成本。

优选的，所述PMMA树脂透镜的非球面为偶次非球面，且非球面系数的阶数不超过十阶。

优选的，所述折射透镜组包括沿光路从左到右依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜；所述第一、第四、第六、第七、第九、第十一透镜为双凸透镜，所述第十、第十二透镜为双凹透镜，所述第三透镜为正月牙透镜，所述第二、第五、第八透镜为负月牙透镜，所述第十三透镜为非球面透镜。这十三片透镜共同用来平衡镜头***的球差、慧差、象散和色差。

其中，所述非球面反射镜为凹面偶次非球面，具有正光焦度，且非球面系数的阶数不超过十二阶。

优选的，所述非球面反射镜的顶点到所述第十三透镜的右顶点之间的距离不超过125mm，有效的保证了镜头***的总长度不至于过长，使结构紧凑，占用空间小。

优选的，所述显示芯片包含1080P、WXGA、XGA等各种分辨率，且其中心相对于所述主光轴偏置5.6mm左右。

所述显示芯片、折射透镜组和非球面反射镜构成的投影镜头***能提供140°-145°的全视场角，投射比为0.27-0.3，放大倍率125倍-135倍，F数2.0-2.5，后焦23mm-27mm，满足在1080P、WXGA、XGA等各种分辨率下的高质量成像，且竖直TVdistortion小于0.28％，水平TVdistortion小于0.9％。

本发明的优点是：在原理上采用非远心光学***设计，因此不需要笨重且占体积的棱镜***，能显著提高投影机的明暗对比度，而且该镜头不包含任何形式的胶合透镜，只含有一片非球面透镜，全部使用常用环保玻璃，因而结构简单，零件工艺性好，公差性能优良，性价比高，适合规模化生产。

附图说明

图1是本发明超短焦投影镜头***的具体结构示意图；

图2是本发明超短焦投影镜头***的整体成像示意图；

图3是竖直和水平TVdistortion计算方法示意图；

图4是本发明超短焦投影镜头***在屏幕上各视场的MTF曲线，对应投影距离500mm，画面尺寸80英寸，显示芯片分辨率1080P；

图5是本发明超短焦投影镜头***的光学结构参数表；

图6是非球面的面型结构参数表；

图中：显示芯片100、折射透镜组200、非球面反射镜300、屏幕400、第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204、第五透镜205、第六透镜206、第七透镜207、第八透镜208、第九透镜209、第十透镜210、第十一透镜211、第十二透镜212、第十三透镜213。

具体实施方式

为使本发明的结构、特征及优点更加清晰明了，现结合附图对本发明作进一步详细说明，但不应理解为对本发明保护范围的任务限定。

如图1所示的超短焦投影镜头***，包括显示芯片100、折射透镜组200、非球面反射镜300。其中，射透镜组200包括第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204、第五透镜205、第六透镜206、第七透镜207、第八透镜208、第九透镜209、第十透镜210、第十一透镜211、第十二透镜212、第十三透镜213。

显示芯片100是一种数字微镜器件DMD(DigitalMicro-mirrorDevice)，用于调制投影机中从照明***来的光束，以显示微图像，充当镜头***的物面，其中心相对于折射透镜组200的主光轴偏置5.6mm左右，本发明支持1080P、WXGA、XGA等各种分辨率的DMD芯片，均能满足高质量成像。

折射透镜组200的十三片透镜的形状、间距和材质是通过光学成像原理设计而来，从左到右其口径依次增大，因而便于后续机械结构设计和装配。通常投影镜头为控制成像的色差和球差，会使用到胶合透镜，但本发明通过在设计过程中对色差和球差平衡的创新性控制，在折射透镜组200中去除了胶合透镜的使用，前十二片透镜的材质也控制为常用环保型玻璃，而且最终只使用一面非球面透镜213。因此，本发明的结构简单，零件工艺性好，公差性能优良，性价比高，适合规模化生产。另外，因为折射透镜组200在原理上采用非远心光学***设计，因此不需要笨重且占体积的棱镜***，能显著提高投影机的明暗对比度。

非球面反射镜300所使用的面型是凹面偶次非球面，属于旋转对称光学面，且其非球面系数的阶数不超过十二阶，因而便于加工生产和装配。为平衡折射透镜组200残留的场曲和畸变像差，非球面反射镜300的初始面型是经过特殊数学算法计算而来的自由曲面，通过最小二乘法最终拟合为更实用的偶次非球面。其光学中心相对于折射透镜组200的主光轴有偏心。

本发明提供的超短焦投影镜头***的整体成像示意图如图2所示，来自投影机中照明***的光束经过显示芯片100反射，其出射光线带有一定角度和孔径，这些光线被后续经过光学成像原理设计的折射透镜组200接收，即满足照明***和成像***的光瞳匹配原则。折射透镜组200的作用是校正平衡整个成像***特定的像差：球差、慧差、象散、色差，但会留下特定的未校正平衡的像差：场曲、畸变。因此，光线在经过折射透镜组200后，只剩下场曲和畸变两种像差未处理。之后，光线进一步射入非球面反射镜300，反射后出射，成像于屏幕400，得到清晰高质量的大画面。其中，非球面反射镜300的面型是经过特殊数学算法计算拟合而来，作用是校正平衡折射透镜组200残留的场曲、畸变两种像差，至此整个超短焦投影镜头***的所有基本像差校正完毕，得到屏幕400上的清晰高质量画面。

本发明的超短焦投影镜头***可以达到的性能参数为：140°-145°的全视场角，投射比为0.27-0.3，放大倍率125倍-135倍，F数2.0-2.5，后焦23mm-27mm，满足在1080P、WXGA、XGA等各种分辨率下的高质量成像，且竖直TVdistortion小于0.28％，水平TVdistortion小于0.9％。其中，投射比是反映投影机在有限距离内投影出画面大小的参量，值越小代表同样的距离能投出更大的画面，在业界超短焦投影镜头的界定标准是投射比小于0.38，说明本发明的投射比满足该标准。F数是衡量投影镜头光能量利用率的一个参数，值越小代表光能量利用率越高，但相应的光学像差越难控制，本发明的F数可以满足2.0-2.5的范围，在业界属于光能量高利用率的投影镜头，可以带来高亮度的投影效果。画面畸变是短焦投影镜头和超短焦投影镜头要处理的突出问题，对于很多镜头该问题并未得到很好解决，效果差强人意，本发明由于非球面反射镜300的特殊设计方法，畸变得到很好的控制，竖直TVdistortion小于0.28％，水平TVdistortion小于0.9％，其计算评价方法如图3所示，是业界常用评价方法。

以下给出本发明超短焦投影镜头***的一个优选实施例，具体的光学结构参数如图5和图6所示，其中非球面(包括非球面透镜213和非球面反射镜300)使用以下公式表征非球面面型：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+a_6{r}^{12}+a_7{r}^{14}+a_8{r}^{16}$

式中，z为矢高，c表示曲面顶点处的曲率，r＝x²+y²，k为圆锥系数，x,y表示垂直于光轴的坐标面的正交分量，a₁…a₈表示偶次项对应的系数。

图4是本优选实施例在屏幕400上各视场的传递函数MTF曲线，对应于投影距离0.5m，画面尺寸80英寸。采用的是0.65英寸DMD显示芯片，分辨率为1920×1080，即1080P，像素大小为7.56微米，因此对应的屏幕上空间频率为0.5lp/mm，即图4的横坐标所示。根据人眼视觉分辨原理，在该空间频率下MTF的数值大于0.3即可在屏幕上看到清晰的图像，图中MTF曲线的横坐标0.5lp/mm对应的纵坐标数值均大于0.4，因而可以实现高清质量画面成像。

基于以上具体实施方式的超短焦投影镜头***，能够在很短的距离内实现高清质量的大画面投影显示，畸变小，而且设计过程中未使用胶合透镜，无需棱镜***，只使用一片非球面透镜，因此结构简单，零件工艺性好，公差性能优良，性价比高，适合规模化生产。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图表格所作的等效变换和改进，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超短焦投影镜头***，包括用于调制投影机中从照明***来的光束且兼作镜头***物面的显示芯片，其特征在于，沿所述显示芯片的出射光路上依次布置有折射透镜组和非球面反射镜；

所述的折射透镜组，用于平衡镜头***的球差、慧差、象散和色差，并使光束成一弯曲的实像于所述的非球面反射镜前；

所述的非球面反射镜，用于校正所述折射透镜组的场曲和畸变，并反射光线，把图像最终成像于屏幕。

2.如权利要求1所述的超短焦投影镜头***，其特征在于，所述的折射透镜组包括十三片透镜，就近显示芯片的前十二片透镜的材质为玻璃，后一片透镜的材质为PMMA树脂。

3.如权利要求2所述的超短焦投影镜头***，其特征在于，沿光路布置的透镜的口径依次增大。

4.如权利要求2所述的超短焦投影镜头***，其特征在于，所述折射透镜组内的各透镜中仅一面为非球面，材质为PMMA树脂的透镜朝向非球面反射镜的面为所述的非球面。

5.如权利要求4所述的超短焦投影镜头***，其特征在于，所述的非球面为偶次非球面，且非球面系数的阶数不超过十阶。

6.如权利要求5所述的超短焦投影镜头***，其特征在于，所述非球面的面型表达式为：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+a_6{r}^{12}+a_7{r}^{14}+a_8{r}^{16}$

式中，z为矢高，c表示曲面顶点处的曲率，r＝x²+y²，x,y表示垂直于光轴的坐标面的正交分量，k为圆锥系数，a₁…a₈表示偶次项对应的系数。

7.如权利要求1所述的超短焦投影镜头***，其特征在于，所述的折射透镜组包括沿光路依次布置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜；

所述第一透镜、第四透镜、第六透镜、第七透镜、第九透镜和第十一透镜为双凸透镜，所述第十透镜和第十二透镜为双凹透镜，所述第三透镜为正月牙透镜，所述第二透镜、第五透镜和第八透镜为负月牙透镜，所述第十三透镜为非球面透镜。

8.如权利要求7所述的超短焦投影镜头***，其特征在于，所述非球面反射镜的顶点到所述第十三透镜的顶点之间的距离不超过125mm。

9.如权利要求1所述的超短焦投影镜头***，其特征在于，所述的显示芯片为数字微镜器件DMD。

10.如权利要求9所述的超短焦投影镜头***，其特征在于，所述显示芯片的分辨率为1080P、WXGA或XGA，且其中心相对于主光轴偏置5.6mm。