CN107490846B - 一种投影镜头 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及光学成像技术，公开了一种投影镜头。投影镜头包括：显示芯片，用于调制从照明***来的光束，以显示微图像；棱镜，用于将照明***出来的光线全反射到所述显示芯片上；所述折射透镜组，用于平衡所述微图像经所述折射透镜组所成图像的像差；反射镜组，用于转折光路，并校正所述折射透镜组所成图像的残留像差。本发明实施例的技术方案，实现在降低投射比的前提下，保证加工精度，控制加工的成本。

Description

一种投影镜头

技术领域

本发明实施例涉及光学成像技术，尤其涉及一种投影镜头。

背景技术

随着投影技术的快速发展，超短焦投影技术凭借其在短距离内能投影大画面的优势，让小型会议室有了实现的可能，而受到各方极大地关注。

最初实现超短焦投影镜头的设计方式为折射式设计，镜头由球面透镜或非球面透镜组成。随着光线入射角的增大，这种折射结构的镜头很难避免像面的畸变，色差，慧差，因此很难在保证像质的情况下继续降低投射比。

目前已有很多基于折射加透射结构的设计原理的结构被提出，但在降低投射比的同时，这些结构无法很好地控制成像的色差，球差，慧差和畸变等光学参数，无法保证像面的亮度和景深。而且现有技术中的结构使用的胶合透镜或非球面透镜了均在二片或以上，因此很难保证加工的精度，还会增加加工的成本。

发明内容

本发明实施例提供一种投影镜头，以实现在降低投射比的前提下，保证加工精度，控制加工的成本。

本发明实施例提供了一种投影镜头，包括：

显示芯片，用于调制从照明***来的光束，以显示微图像；

棱镜，用于将照明***出来的光线全反射到所述显示芯片上；

所述折射透镜组，用于平衡所述微图像经所述折射透镜组所成图像的像差；

反射镜组，用于转折光路，并校正所述折射透镜组所成图像的残留像差。

进一步的，所述反射镜组包括非球面反射镜和球面反射镜；

其中，所述折射透镜组和所述非球面反射镜具有同一主光轴；

所述球面反射镜的主光轴和所述非球面反射镜的主光轴处于不同的水平面上；

所述非球面反射镜，用于转折光路，并校正所述折射透镜组所成图像的残留像差；

所述球面反射镜，用于转折所述非球面反射镜反射出来的光束，以投射到屏幕上。

进一步的，所述折射透镜组所平衡的所述微图像经所述折射透镜组所成图像的像差包括：球差、慧差、象散、场曲和色差。

进一步的，所述折射透镜组包括沿着光路顺序排列的第一透镜组、孔径光阑和第二透镜组；

其中，所述第一透镜组、所述孔径光阑和所述第二透镜组具有同一主光轴。

进一步的，所述第一透镜组包括沿光路依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；

所述第一透镜为一凹凸透镜，所述第二透镜为一双凸透镜，所述第三透镜为一双凸透镜，所述第四透镜为一双凹透镜，所述第五透镜为一双凸透镜；

其中，所述第四透镜和所述第五透镜胶合为一个整体。

进一步的，所述第二透镜组包括沿光路依次排列的第六透镜、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、第十四透镜和第十五透镜；

所述第六透镜为一双凸透镜，所述第七透镜为一凹凸透镜，所述第八透镜为一凹凸透镜，所述第九透镜为一双凹透镜，所述第十透镜为一双凸透镜，所述十一透镜为一凹凸透镜，所述十二透镜为一凸凹透镜，所述第十三透镜为一双凸透镜，所述第十四透镜为一双凸透镜，所述第十五透镜为一凹凸的透镜；

其中，所述第十二透镜用于调节变焦的作用，以便配合所述投影镜头在预设范围内的移动，使投影在屏幕上的画面清晰。

进一步的，所述显示芯片为数据微镜装置(Digital Micromirror Device，DMD)显示芯片；其中，所述DMD显示芯片的分辨率为4k，像素大小为5.4微米。

进一步的，所述DMD显示芯片偏置为5.59毫米。

进一步的，所述非球面反射镜的非球面面型由公式：

表征，其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为曲面点坐标在垂直于光轴平面的投影与光轴的距离，k为圆锥系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇和a₈表示偶次项对应的系数。

进一步的，所述第十五透镜为非球面透镜，所述第十五透镜的非球面面型由公式：

表征，其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为曲面点坐标在垂直于光轴平面的投影与光轴的距离，k为圆锥系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇和a₈表示偶次项对应的系数。

本发明通过设置一个非球面反射镜校正像差，解决使用多片非球面镜导致的安装精度要求高，加工成本高的问题，实现保证加工精度，控制加工的成本的效果。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种投影镜头的结构示意图；

图2是本发明实施例二中的一种投影镜头的结构示意图；

图3是本发明实施例二中的一种投影镜头工作原理的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种投影镜头的结构示意图，本实施例可适用于会议室等室内场景，在短距离内投射大画面的情况，该投影镜头，包括：

显示芯片0000，用于调制从照明***来的光束，以显示微图像；其中，显示芯片0000为DMD显示芯片；示例的，可以选择分辨率为4k，像素大小为5.4微米的DMD显示芯片。可选的，DMD显示芯片偏置为5.59毫米。

棱镜1000，用于用于将照明***出来的光线全反射到显示芯片0000上；

折射透镜组2000，用于平衡微图像经折射透镜组2000所成图像的像差；其中，折射透镜组2000是投影镜头的主要组件，在将显示芯片0000显示的微图像成像到屏幕的过程中，平衡图像存在的像差。示例的，折射透镜组2000所平衡的微图像经折射透镜组2000所成图像的像差包括：球差、慧差、象散、场曲和色差。

反射镜组3000，用于转折光路，并校正折射透镜组2000所成图像的残留像差。其中，在折射透镜组2000平衡了诸如球差、慧差、象散、场曲和色差，这些像差之后，还会残留像差，残留的像差主要是畸变。反射镜组3000可以包括非球面反射镜，从而可以起到放大图像，以及转折光路的作用，并且，还进一步校正残留的畸变像差。

本发明通过设置一个非球面反射镜校正像差，解决使用多片非球面镜导致的安装精度要求高，加工成本高的问题，实现保证加工精度，控制加工的成本的效果。

实施例二

本实施例的技术方案在上述实施例的技术方案的基础上进一步细化，可选的，如图2所示，折射透镜组2000包括沿着光路顺序排列的第一透镜组2100、孔径光阑2200和第二透镜组2300。

其中，第一透镜组2100、孔径光阑2200和第二透镜组2300具有同一主光轴。

如图2所示，第一透镜组2100包括沿光路依次排列的第一透镜2001、第二透镜2002、第三透镜2003、第四透镜2004和第五透镜2005；

第一透镜2001为一凹凸透镜，第二透镜2002为一双凸透镜，第三透镜2003为一双凸透镜，第四透镜2004为一双凹透镜，第五透镜2005为一双凸透镜；

其中，第四透镜2004和第五透镜2005胶合为一个整体。

可选的，如图2所示，第二透镜组2300包括沿光路依次排列的第六透镜2006、第七透镜2007、第八透镜2008、第九透镜2009、第十透镜2010、第十一透镜2011、第十二透镜2012、第十三透镜2013、第十四透镜2014和第十五透镜2015。

第六透镜2006为一双凸透镜，第七透镜2007为一凹凸透镜，第八透镜2008为一凹凸透镜，第九透镜2009为一双凹透镜，第十透镜2010为一双凸透镜，十一透镜2011为一凹凸透镜，十二透镜2012为一凸凹透镜，第十三透镜2013为一双凸透镜，第十四透镜2014为一双凸透镜，第十五透镜2015为一凹凸的透镜；

其中，第十二透镜2012用于调节变焦的作用，以便配合投影镜头在预设范围内的移动，使投影在屏幕上的画面清晰。

可选的，如图2所示，反射镜组包括非球面反射镜3001和球面反射镜3002。

其中，折射透镜组2000和非球面反射镜3001具有同一主光轴。

球面反射镜3002的主光轴和非球面反射镜3001的主光轴处于不同的水平面上。

非球面反射镜3001，用于转折光路，并校正折射透镜组2000所成图像的残留像差；

球面反射镜3002，用于转折非球面反射镜3001反射出来的光束，以投射到屏幕上。

可选的，非球面反射镜3001的非球面面型由公式：

表征，其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为曲面点坐标在垂直于光轴平面的投影与光轴的距离，k为圆锥系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇和a₈表示偶次项对应的系数。

为了达到较低的投射比和进一步改善剩余的场曲和畸变像差，通过数学算法得到非球面反射镜的几个初始面型，选择其中便于加工的继续优化，最终得到该偶次非球面反射镜3001。虽然此凹面偶次非球面反射镜3001的非球面阶数达到二十阶，但是其面型较好，制作的材料为铝，对加工生产和装配的要求并不高。

可选的，第十五透镜2015为非球面透镜，第十五透镜2015的非球面面型由公式：

表征，其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为曲面点坐标在垂直于光轴平面的投影与光轴的距离，k为圆锥系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇和a₈表示偶次项对应的系数。可选的，第十五透镜2015的材料为有机玻璃PMMAO。

根据光学成像原理，通过计算和后续优化，以及成本考虑和装配分析，确定折射透镜组2000的透镜面型、间距和材料。为了控制成像的色差和球差，降低整个***的加工装配成本，以及保证最终的成像质量，该折射透镜组2000使用了一片胶合透镜。棱镜1000、从第一透镜2001至第十四透镜2014的材料均采用常用环保型玻璃。

本发明实施例提供的超短焦投影镜头***工作原理如图3所示，入射光线经过棱镜组1000，来到折射透镜组2000，整个成像***的像差得以大幅度降低，例如球差、慧差、象散、场曲、色差等像差，但畸变没有得到较好地改善。然后光线经过非球面反射镜3001，反射经过球面反射镜3002，再次反射到屏幕4000上成像，得到投影的画面。其中，非球面反射镜3001主要的作用是矫正折射透镜组2000残留下来的畸变像差。这样便可得到清晰的投影画面。

本发明实施例的超短焦投影镜头***可以达到的性能参数为：投射比为0.155，放大倍率167倍，F数2.0，后焦27.55mm，满足在4k分辨率下的高质量成像，且竖直TV畸变(TVdistortion)小于0.1％，水平TV畸变小于0.2％。其中，投射比就是投影距离与画面宽度之比，在相同的工作距离内，投射比越小，投射的画面越大。0.155的投射比已经大大优于同类产品。F数决定了像面照度和设计的难度，F数越小，表示能量利用率越高，像差会很难控制。本超短焦投影镜头***在不同投射比下均能保证特别小的竖直畸变和水平畸变，以及较低的球差、像散、慧差、色差、场曲，是该***的优越之处。

本实施例提供的超短焦投影镜头***投射比较低，还能保证4k分辨率。除了使用了一对球面结构的胶合透镜，一个非球面反射镜以外，整个***经过调整后公差分配合理，最大地减少了机械结构的装配带来的误差，大幅度降低了加工难度，适合大规模生产。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种投影镜头，其特征在于，包括：

显示芯片，用于调制从照明***来的光束，以显示微图像；

棱镜，用于将照明***出来的光线全反射到所述显示芯片上；

折射透镜组，用于平衡所述微图像经所述折射透镜组所成图像的像差；

所述折射透镜组包括沿着光路顺序排列的第一透镜组、孔径光阑和第二透镜组；

其中，所述第一透镜组、所述孔径光阑和所述第二透镜组具有同一主光轴；所述第一透镜组包括沿光路依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；

所述第一透镜为一凹凸透镜，所述第二透镜为一双凸透镜，所述第三透镜为一双凸透镜，所述第四透镜为一双凹透镜，所述第五透镜为一双凸透镜；

其中，所述第四透镜和所述第五透镜胶合为一个整体；

反射镜组，用于转折光路，并校正所述折射透镜组所成图像的残留像差。

2.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述反射镜组包括非球面反射镜和球面反射镜；

其中，所述折射透镜组和所述非球面反射镜具有同一主光轴；

所述球面反射镜的主光轴和所述非球面反射镜的主光轴处于不同的水平面上；

所述非球面反射镜，用于转折光路，并校正所述折射透镜组所成图像的残留像差；

所述球面反射镜，用于转折所述非球面反射镜反射出来的光束，以投射到屏幕上。

3.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述折射透镜组所平衡的所述微图像经所述折射透镜组所成图像的像差包括：球差、慧差、象散、场曲和色差。

4.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于：

所述第二透镜组包括沿光路依次排列的第六透镜、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、第十四透镜和第十五透镜；

所述第六透镜为一双凸透镜，所述第七透镜为一凹凸透镜，所述第八透镜为一凹凸透镜，所述第九透镜为一双凹透镜，所述第十透镜为一双凸透镜，所述十一透镜为一凹凸透镜，所述十二透镜为一凸凹透镜，所述第十三透镜为一双凸透镜，所述第十四透镜为一双凸透镜，所述第十五透镜为一凹凸的透镜；

其中，所述第十二透镜用于调节变焦的作用，以便配合所述投影镜头在预设范围内的移动，使投影在屏幕上的画面清晰。

5.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述显示芯片为数据微镜装置DMD显示芯片；其中，所述DMD显示芯片的分辨率为4k，像素大小为5.4微米。

6.根据权利要求5所述的投影镜头，其特征在于，所述DMD显示芯片偏置为5.59毫米。

7.根据权利要求2所述的投影镜头，其特征在于，所述非球面反射镜的非球面面型由公式：

表征，其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为曲面点坐标在垂直于光轴平面的投影与光轴的距离，k为圆锥系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇和a₈表示偶次项对应的系数。

8.根据权利要求4所述的投影镜头，其特征在于，所述第十五透镜为非球面透镜，所述第十五透镜的非球面面型由公式：

表征，其中，z为矢高，c为曲面顶点处的曲率，r为曲面点坐标在垂直于光轴平面的投影与光轴的距离，k为圆锥系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇和a₈表示偶次项对应的系数。

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