八组十片折反式超低投射比投影镜头基础结构
技术领域
本发明涉及一种低投射比投影镜头基础结构,特别涉及了一种八组十片折反式超低投射比投影镜头基础结构。
背景技术
投影机和屏幕间的距离与画面尺寸成正比,投影机离屏幕越近,投射出的画面尺寸越小,反之,画面则越大。在有限的空间内,以最短的距离实现最大尺寸的幕\屏画面是当今以及未来实际应用中一个新的需求所在,也是投影领域发展的趋势。而短焦投影镜头的出现使这一切成为了现实。短焦投影镜头拥有较低的投射比,所谓投射比是指投影距离与投射画面宽度之比,相同的投影距离,投射比越低,投影画面越大。配有短焦投影镜头的投影机仅仅需要几十厘米的投影距离,就能实现较大的投影画面。
现有短焦投影镜头的主流实现方式是基于几何光学原理的折射式和折反式。其中折射式的镜头光学***全部由折射透镜组成,折射透镜包括球面透镜和非球面透镜。折反式的镜头光学***由折射***和反射***组成,折射***包括球面透镜和非球面透镜,反射***可以是平面反射镜、凸面非球面反射镜、凹面非球面反射镜、凸自由曲面反射镜或者凹自由曲面反射镜。按投射比来说,折射式短焦投影镜头一般实现的投射比级别在0.6∶1级,这个数字代表的是短焦投影机的短焦能力,比值越小说明短焦能力越强,对于更低投射比级别的实现,则需要折反式短焦投影镜头来完成,故又称超短焦投影镜头。在很多实际的工程投影中,短焦投影镜头需要具有较大的离轴偏移能力,以满足离轴投影,故短焦投影镜头的设计需要考虑离轴投影的情况,而折反式投影镜头则需要具有更大的离轴偏移量,来实现更低的投射比。
折反式短焦投影镜头按照***内部反射镜的类型可分为平面镜折反式、非球面镜折反式和自由曲面镜折反式三种。对于平面镜折反式短焦投影镜头,要达到更小投射比,则***的体积会更大,结构复杂程度会更高,不利于产品的实现;而非球面折反式和自由曲面折反式,由于反射镜的反射面具有其特殊的曲率特性,所以有利于***的像差校正、体积的小型化以及结构的简单化,是目前超短焦投影领域最常见的结合方式。然而,现有的非球面折反式和自由曲面折反式短焦投影镜头光学基础结构依然较为复杂,包括11-14片折射透镜,含有3-5个非球面,镜身长,生产工艺性差,成本高,且生产工艺要求高,成品率低,这些不足严重影响了超短焦投影技术的发展,是该领域需要解决的关键技术难题。
发明内容
鉴于上述状况,本发明提供了一种八组十片折反式超低投射比投影镜头基础结构,使其镜头光学***通过反射***和折射***组合,拥有低于0.27∶1的投射比,在保证整体像差优异的前提下,镜头结构实现了最大限度地简化,缩短了镜身长度,提高了生产工艺性和投影画面亮度,降低了生产成本。
本发明的技术解决方案是:一种八组十片折反式超低投射比投影镜头基础结构,数字投影机芯片上的一物点通过该镜头成像在银幕上为一像点,包括自该像点的一侧至该物点的一侧依次设置的反射***和折射***;其中:
反射***,包括一凸面偶次非球面反射镜,反射面在银幕一侧;和
折射***,包括七组九片折射透镜,及一个孔径光栏,所述的九片折射透镜自该像点的一侧至该物点的一侧依次设置的第一透镜、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,其中第三透镜和第四透镜、第七透镜和第八透镜分别为双胶合镜组,所述第一透镜、第二透镜均为负弯月型,且凸面均朝前,第三透镜为负弯月型,且凸面朝前,第四透镜为双凸型,曲率绝对值大的面朝前,第五透镜为正弯月型,凹面朝前,第六透镜为正弯月型,凹面朝前,第七透镜为双凸型,曲率绝对值小的面朝前,第八透镜为负弯月型,凹面朝前,第九透镜为双凸型,曲率绝对值大的面朝前,所述孔径光栏设置在第四透镜与第五透镜之间的位置,所述反射***与折射***具有相同的主光轴,反射***用于反射通过折射***所出射的光束;
所述的折射***中的第一透镜为球面透镜,第二透镜的凸面面型为球面,凹面面型为偶次非球面,第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜均为球面透镜;
所述的反射***的等效焦距绝对值和折射***的等效焦距绝对值之比为9.5~13.0,其中反射***的等效焦距为负值,折射***的等效焦距为正值;
所述的反射***和折射***的间距与折射***的总长之比为0.39~0.51;
所述的折反式投影镜头的反远比为4.5~6.5;
所述的折反式投影镜头适用色光波长范围为:430nm~650nm。
本发明中,所述第一透镜采用重冕系光学玻璃材质;所述第二透镜采用光学塑料或冕系光学玻璃材质;所述第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜依次采用镧火石系、火石系、钡冕系、氟冕系、氟冕系、重火石系、氟冕系光学玻璃材质。
本发明中,所涉及的折反式投影镜头基础结构按比例进行焦距缩放,并适当调整各主要像差的匹配关系,可满足1LCD、3LCD、1DMD技术类型的靶面尺寸为0.55~0.7英寸范围的数字投影机的使用。
本发明中,可以把镜头结构中的任一或几个标准面变更为非球面,可对整个光学***的像差校正。
本发明所指的反远比是指镜头光学后截距L′和焦距f′之比的绝对值。
本发明所具有的有益效果是:运用本基础结构形式设计出的投影镜头,由具有负焦距的反射***和正焦距的折射***构成,反射***为一凸面偶次非球面反射镜,折射***仅含一片光学塑料材质的偶次非球面透镜及八片光学玻璃材质的球面透镜,结构简单,体型小,提高了生产工艺性和投影画面亮度,大大降低了生产成本和装调难度,且具有低于0.27∶1的超低投射比。物面经过折射***后,首先成像在反射镜的反射面上,再由反射面反射至银幕上,在很短的投影距离即可投射出优质的足够大的较小TV畸变的画面,大大减小了投影空间。另外,通过折射***中的非球面透镜的光学材料可以采用光学塑料也可以采用冕系光学玻璃,在采用冕系光学玻璃的情况下,用数控研磨抛光法对非球面进行加工,适于小数量的生产加工,在采用光学塑料的情况下,用注塑成型法对非球面进行加工,适于大批量的生产加工,进一步促进了数字超短焦投影技术的快速发展。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是图1的光线追迹示意图。
具体实施方式
下面将结合附图实施例,对本发明作进一步的详细说明,仅用于解释本发明的实施例和所具有的有益效果,并非用于限制本发明的保护范围。
如图1所示的八组十片折反式超低投射比投影镜头基础结构,数字投影机芯片C上的一物点通过该镜头成像在银幕A上为一像点,包括自该像点的一侧至该物点的一侧依次设置的反射***11和折射***12。本发明中所述的反射***11,包括凸面偶次非球面反射镜1101,其反射面在银幕A一侧,起到增大视场角、平衡像差、校正畸变的作用。所述的折射***12,包括对应于银幕A反向依次设置的第一透镜1201、第二透镜1202、第三透镜1203-1、第四透镜1203-2、孔径光栏1204、第五透镜1205、第六透镜1206、第七透镜1207-1、第八透镜1207-2、第九透镜1208。其中第三透镜1203-1和第四透镜1203-2构成一个双胶合镜组,起分散光焦度、校正色差、减小高级像差量的作用,第七透镜1207-1和第八透镜1207-2构成一个双胶合镜组,起校正色差、增大后工作距离的作用,第一透镜1201为负弯月型,且凸面朝前(设镜头在投影工作状态时,反射镜1101端为前,银幕A端为后),起到增大视场角、减小镜片口径、拉大后焦点截距的作用,第二透镜1202为负弯月型,且凸面朝前,凹面面型为偶次非球面,起到增加视场角、提高相对孔径、平衡轴外像差、简化结构的作用,第三透镜1203-1为负弯月型,且凸面朝前,第四透镜1203-2为双凸型,曲率绝对值大的面朝前,第五透镜1205、第六透镜1206均为正弯月型,且凹面均朝前,起到改善大视场化、小型化与像质优良之间的矛盾,第七透镜1207-1为双凸型,曲率绝对值小的面朝前,第八透镜1207-2为负弯月型,凹面朝前,第九透镜1208为双凸型,曲率绝对值大的面朝前。所述孔径光栏1204设置在第四透镜1203-2和第五透镜1205之间。本实施例中的第六透镜1206、第七透镜1207-1和第九透镜1208均采用氟冕系光学玻璃材质,起拉大后工作距离的作用。上述中,所述的反射***11的等效焦距为负值,折射***12的等效焦距为正值,两者的绝对值之比为9.5~13.0。所述的反射***11与折射***12的间距和折射***12的总长之比为0.39~0.51。所述的反射***11与折射***12具有相同的主光轴10,反射***11用于反射通过折射***12所出射的光束。本发明的实施例中,所述镜头的光学性能参数为:焦距f′=-4.7mm,相对孔径D/f′=1/2.2,投射比为0.265∶1,反远比为6.4,光学***总长为151mm,其中D为入瞳直径。本发明的实施例中,本发明中,所涉及的折反式投影镜头基础结构按比例进行焦距缩放,并适当调整各主要像差的匹配关系,可满足1LCD、3LCD、1DMD技术类型的靶面尺寸为0.55~0.7英寸范围的数字投影机的使用。本发明中,所述的折射***中的第一透镜为球面透镜,第二透镜的凸面面型为球面,凹面面型为偶次非球面,第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜均为球面透镜。本发明中,所述第一透镜采用重冕系光学玻璃材质;所述第二透镜采用光学塑料或冕系光学玻璃材质;所述第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜依次采用镧火石系、火石系、钡冕系、氟冕系、氟冕系、重火石系、氟冕系光学玻璃材质。本发明中,所涉及的折反式投影镜头的反远比为4.5~6.5。
本发明所述的反远比是指镜头光学后截距L′和焦距f′之比的绝对值。
本发明中,可以把镜头结构中的任一或几个标准面变更为非球面,这样,通过复杂化的设计,牺牲加工工艺性有利于整个光学***的像差校正。
本发明的镜头是一种折射和反射结合的超低投射比的数字投影镜头,其要求很小的投射画面TV畸变,且要求具有很大的画面离轴量,同时要求整个***的外形尺寸合理化、小型化,其设计优化策略不同于传统的全折射数字短焦投影镜头。首先,根据设计输入要求,计算出镜头的画面离轴量,推算出镜头的设计像高,再由投射比推算出镜头的焦距,然后根据镜头的像高及焦距,建立合适的光学***模型,即先建立一个全折射短焦镜头结构,再由该全折射镜头的焦距推算出反射***的焦距。最后,依据光路可逆行性原理,镜头光学结构按反向光路设计,在软件中设定整个光学***的基本光学参数:像高、相对孔径、工作波长、物距范围,同时在镜头成像像面和镜头折射***之间***一定厚度(厚度依据数字投影机靶面尺寸的不同而不同)的等效平行玻璃平板,用于模拟数字投影机的内部分色棱镜,这样设计出的镜头在投影时就能很好的平衡数字投影机内部分色棱镜造成的各种像差。在此基础上,采用人工和设计软件相结合的优化设计方法,对该光学***进行改造、优化,直到该镜头具有很好的像差质量、均匀的像面照度以及很好的工艺性。在优化过程中注意随时更新和调整各种优化目标值。
为了说明本发明的实施例,当镜头等效焦距为1时,其光学结构参数如下:
S1偶次非球面参数:
二次曲线常数(K) |
-20.32 |
4阶系数(A) |
1.95e-006 |
6阶系数(B) |
-2.21e-009 |
8阶系数(C) |
1.47e-012 |
10阶系数(D) |
-4.90e-016 |
12阶系数(E) |
5.88e-020 |
S5偶次非球面参数:
二次曲线常数(K) |
-0.55 |
4阶系数(A) |
0.013 |
6阶系数(B) |
-4.16e-003 |
8阶系数(C) |
7.63e-004 |
10阶系数(D) |
-6.67e-005 |
12阶系数(E) |
2.36e-006 |
本发明实施例的镜头光学结构适用色波长范围为430nm~650nm。
图2给出了本发明实施例的光线追迹示意图。从图中可以看出镜头结构各特定视场的特征光线a走向,以及特征光线a在各折射透镜表面的入射位置和在反射镜表面的反射位置。