CN109407288A - 一种折反式超短焦投影镜头*** - Google Patents

一种折反式超短焦投影镜头*** Download PDF

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Abstract

本发明提供的折反式超短焦投影镜头***，包括显示芯片、折射透镜组和非球面反射镜，光线从显示芯片射出，进入折射透镜组消像差后，经非球面反射镜成像于屏幕。其中：折射透镜组包括16片球面透镜，各个透镜光学中心共轴，其中两片透镜胶合消色差；非球面反射镜存在偏心，矫正场曲和畸变。本发明具有视场大，畸变小，能够在很短的距离内投射出大视场高清画面的优点，而且结构简单，无非球面折射透镜，节约成本，全部使用常用环保玻璃，适合规模生产。

Description

一种折反式超短焦投影镜头***
技术领域
本发明属于成像显示的投影技术领域，具体涉及一种折反式超短焦投影镜头***。
背景技术
近年来，随着投影技术的发展，超短焦凭借其能够有效缩短投影距离，实现短距离内投射大尺寸画面的优势成为投影机市场的热点。
目前，市场上投影仪实现短焦投影的方式主要有三种：折射式、反射式和折反式。折射式设计的镜头在保证像质的情况下，视场范围有限，进一步增大视场角，轴外像差难以校正，解决办法是增加透镜的片数和使用非球面，增大了设计复杂度，且加工成本高；反射式设计的镜头由于全部采用反射镜没有引入色差，但大视场产生的畸变难以校正，离轴的结构设计对非球面反射镜的加工装配和公差要求很高，加工成本高且合格率低；折反式设计的镜头综合了折射式和反射式的技术特点，是目前市场上超短焦投影镜头的主流方案。
针对超短焦投影镜头***，目前有一些研究成果。如公开号为CN 105158884 A的中国专利介绍了一种包含13片折射透镜和一片凹面非球面反射镜的超短焦投影镜头，其中折射透镜组中使用了一片PMMA树脂非球面透镜。虽然这种镜头实现了短距离投影大画面的效果，但使用了一片非球面透镜，导致加工、装配工艺复杂，制造成本高，精度不易保证，良品率低。
再如公开号为US8482851B2的美国专利介绍了一种包含15片折射透镜和一片凹面非球面反射镜的超短焦投影镜头***，其中折射透镜部分使用了四面非球面。虽然这种镜头实现了短距离投影大画面的效果，但使用了四面非球面，同样会导致加工装配问题。
发明内容
本发明是为了解决非球面透镜造成的加工装配问题而进行的，目的在于提供一种折反式超短焦投影镜头***，不含有非球面透镜，提高成像质量，有效减少生产、加工装配成本。
为了实现上述目的，本发明提供了一种折反式超短焦投影镜头***，具有这样的特征，包括：
显示芯片，用于调制投影机中从照明***来的照明光束且兼作折反式超短焦投影镜头***的物面，反射照明光束，形成成像光束；以及沿该显示芯片的出射光路上依次设置的折射透镜组和非球面反射镜，
其中，折射透镜组用于平衡成像光束中的球差、彗差、像散和色差，并使成像光束成一弯曲的实像于非球面反射镜前，包含16片透镜，该16片透镜全部为球面透镜，
非球面反射镜用于校正折射透镜组的场曲和畸变，并反射光线成实像于屏幕。
本发明提供的折反式超短焦投影镜头***中，还可以具有这样的特征：其中，透镜为由玻璃制成的球面透镜，各个透镜的光学中心共轴成为主光轴。
本发明提供的折反式超短焦投影镜头***中，还可以具有这样的特征：其中，16片透镜包括沿出射光路的方向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、第十四透镜、第十五透镜以及第十六透镜，
第一透镜、第二透镜、第六透镜以及第八透镜均为双凸透镜，
第四透镜、第十二透镜、第十四透镜以及第十六透镜均为双凹透镜，
第三透镜、第五透镜、第七透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十三透镜均为正弯月透镜，
第十五透镜为负弯月透镜。
本发明提供的折反式超短焦投影镜头***中，还可以具有这样的特征：其中，第四透镜和第五透镜胶合为一个整体，第四透镜的折射率大于第五透镜的折射率，第四透镜的阿贝数小于第五透镜的阿贝数。
本发明提供的折反式超短焦投影镜头***中，还可以具有这样的特征：其中，第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜以及第十六透镜组成一个调焦透镜组。
本发明提供的折反式超短焦投影镜头***中，还可以具有这样的特征：其中，第十六透镜朝向非球面反射镜的表面与该非球面反射镜朝向该第十六透镜的表面之间的主光轴的长度不大于65mm，
显示芯片朝向该非球面反射镜的表面到该非球面反射镜朝向该第十六透镜的表面之间的主光轴的长度不大于240mm。
发明提供的折反式超短焦投影镜头***中，还可以具有这样的特征：其中，显示芯片为数字微透镜器件，尺寸为0.66英寸，分辨率为1080P，显示芯片的中心相对于主光轴向上偏移1.65mm。
本发明提供的折反式超短焦投影镜头***中，还可以具有这样的特征：其中，非球面反射镜为凹面反射镜，该凹面反射镜的面型为奇次多项式，非球面系数的阶数为20阶。
本发明提供的折反式超短焦投影镜头***中，还可以具有这样的特征：其中，凹面反射镜采用下列公式进行表征：
式中，z为矢高，c表示曲面顶点处的曲率，k为二次曲面系数，a1、a2、a3、…为非球面高次项系数。
本发明提供的折反式超短焦投影镜头***中，还可以具有这样的特征：其中，屏幕到非球面反射镜朝向该屏幕的表面之间的主光轴的长度不大于510mm。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的折反式超短焦投影镜头***，由于显示芯片能够调制投影机中从照明***来的照明光束且兼作镜头***物面，折射透镜组能够平衡成像光路中的球差、彗差、像散和色差，并使该成像光路成一弯曲的实像于非球面反射镜前，且折射透镜组包含16片透镜，该16片透镜全部为球面透镜，不含非球面透镜，非球面反射镜能够校正折射透镜组的场曲和畸变，并反射光线成实像于屏幕，因而本发明具有成像质量优良，结构简单、有效减少生产、加工装配成本、性价比高、适合规模化生产的优点。
附图说明
图1是本发明的实施例中的折反式超短焦投影镜头***的整体结构示意图；
图2是本发明的实施例中的折反式超短焦投影镜头***的具体结构示意图；
图3是本发明的实施例中的折反式超短焦投影镜头***的成像原理图；以及
图4是本发明的实施例中的折反式超短焦投影镜头***在屏幕上各视场的调制传递函数曲线。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明折反式超短焦投影镜头***作具体阐述。
图1是本发明的实施例中的折反式超短焦投影镜头***的整体结构示意图。
如图1所示，折反式超短焦投影镜头***具有显示芯片100、折射透镜组300以及非球面反射镜400。
显示芯片100是一种数字微透镜器件(DMD)，能够调制投影机中从照明***来的照明光束，以显示微图像，充当折反式超短焦投影镜头***的物面，并且反射该照明光束，形成成像光束。
沿显示芯片100的出射光路上依次布置有折射透镜组300和非球面反射镜400。
折射透镜组300各透镜的光学中心共轴，为主光轴，能够平衡成像光束的球差、彗差、像散和色差，并使成像光束成一弯曲的实像于非球面反射镜前。
显示芯片100的尺寸为0.66英寸，其中心相对于折射透镜组300的主光轴向上偏移1.65mm。
如图3所示，接受屏500位于显示芯片100远离折射透镜组300的一侧，非球面反射镜400能够校正折射透镜组300所产生的场曲和畸变，并反射光线成实像于接受屏500。
图2是本发明的实施例中的折反式超短焦投影镜头***的具体结构示意图。
折射透镜组300的十六片透镜的形状、间距和材质是通过光学成像原理设计而来。
如图2所示，透镜组300具有依次沿显示芯片100的出射光路布置的第一透镜301、第二透镜302、第三透镜303、第四透镜304、第五透镜305、第六透镜306、第七透镜307、第八透镜308、第九透镜309、第十透镜310、第十一透镜311、第十二透镜312、第十三透镜313、第十四透镜314、第十五透315镜以及第十六透镜316。
其中第一透镜301、第二透镜302、第六透镜306以及第八透镜308均为双凸透镜；
第四透镜304、第十二透镜312、第十四透镜314以及第十六透镜316均为双凹透镜；
第三透镜303、第五透镜305、第七透镜307、第九透镜309、第十透镜310、第十一透镜311以及第十三透镜313均为正弯月透镜；
第十五透镜315为负弯月透镜。
第四透镜304和第五透镜305胶合为一个整体，第四透镜304的折射率大于第五透镜305的折射率，第四透镜304的阿贝数小于第五透镜305的阿贝数，第四透镜304的色散大于第五透镜305的色散。当第四透镜304的色散大于第五透镜305的色散时，能够更好的消除色差。
折射透镜组300中的第十三透镜313、第十四透镜314、第十五透315镜和第十六透镜316组成一个调焦透镜组，通过整体移动改变投影距离，实现不同尺寸画面的投影。
折射透镜组300中十六片透镜的具体参数如表1所示:
表1
非球面反射镜400为凹面反射镜，其光学中心相对于主光轴向下偏置0.1-2mm。本实施例中，非球面反射镜400的光学中心相对于主光轴向下偏置0.6mm。
主光轴与第十六透镜316朝向非球面反射镜400的表面之间的交点为交点A，主光轴与非球面反射镜400朝向第十六透镜316的表面之间的交点为交点B，交点A与交点B之间的距离不大于65mm。
显示芯片100与交点B之间的距离不大于240mm。
非球面反射镜400具有负光焦度，非球面系数的阶数为20阶。
其中，非球面反射镜400面型为奇次多项式，采用下列公式进行表征：
式中，z为矢高，c表示曲面顶点处的曲率，k为二次曲面系数，a1、a2、a3、…为非球面高次项系数。
图3是本发明的实施例中的折反式超短焦投影镜头***的成像原理图。
如图3所示，接受屏500的尺寸为80-120英寸，非球面反射镜400与主光轴的交点B到接受屏500的距离不超过510mm。
成像光束从显示芯片100出射，经过折射透镜组300，然后到达非球面反射镜400，经非球面反射镜400反射后，成像光束成像于接受屏500上。
图4是本发明的实施例中的折反式超短焦投影镜头***在屏幕上各视场的调制传递函数曲线。
如图4所示，对应的投影距离是467mm，投影画面尺寸为100英寸，显示芯片100分辨率为1080P。图4中调制传递函数(MTF)曲线的横坐标0.44lp/mm对应的纵坐标数值大于0.4，因而可以实现高清质量画面成像。
本实施例提供的折反式超短焦投影镜头***能提供155度全视场角，投射比为0.21、放大倍率为136-167倍、投影画面尺寸为90-110英寸、对应的投影距离为424-510mm、光圈数(F数)为2.4、竖直光学(TV)畸变小于0.15％、水平光学(TV)畸变小于0.24％、满足1080P分辨率下的高质量成像。采用的DMD芯片尺寸是0.66英寸，分辨率为1080P，根据奈奎斯特定理分别计算不同放大倍率下的截止频率，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。
本实施例提供的折反式超短焦投影镜头***，在很短的距离内(即非球面反射镜400与主光轴的交点B到接受屏500的距离不大于510mm)，能够动态调节投影画面的尺寸，实现高清质量的大画面投影显示。设计过程中使用一次胶合透镜，无非球面透镜，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。
实施例的作用与效果
本实施例提供的折反式超短焦投影镜头***，由于显示芯片100能够调制投影机中从照明***来的成像光束且兼作折反式超短焦投影镜头***的物面，折射透镜组300能够平衡成像光束中的球差、彗差、像散和色差，并使成像光束成一弯曲的实像于非球面反射镜前，且折射透镜组300包含16片透镜，该16片透镜全部为球面透镜，不含非球面透镜，非球面反射镜400能够校正折射透镜组300的场曲和畸变，并反射光线成实像于屏幕，可在屏幕上看到清晰的图像，因而本实施例具有成像质量优良，结构简单、有效减少生产、加工装配成本、性价比高、适合规模化生产的优点。
此外，因为透镜均为由玻璃制成的球面透镜，所以具有环保、性价比高、适合规模化生产的优点。
另外，第四透镜304和第五透镜305胶合为一个整体，第四透镜304的折射率大于第五透镜305的折射率，第四透镜304的阿贝数小于第五透镜305的阿贝数。由于光角度一定时，透镜的阿贝数越大，色差越小，通常情况下，凸透镜产生负色差，凹透镜产生正色差，因此，将双凹的第四透镜304和凸凹的第五透镜305胶合为一个整体，它们的色差相互补偿，达到有效消除色差的目的。
另外，折射透镜组300中的第十三透镜313、第十四透镜314、第十五透315镜和第十六透镜316组成一个调焦透镜组，通过整体移动改变投影距离，实现90-110英寸之间不同尺寸画面的投影。
此外，第十六透镜316朝向非球面反射镜400的表面与该非球面反射镜400朝向该第十六透镜316的表面之间的主光轴的长度不大于65mm，显示芯片100朝向该非球面反射镜400的表面到该非球面反射镜400朝向该第十六透镜316的表面之间的主光轴的长度不大于240mm，有效的保证了镜头***的总长度不至于过长，使整个***结构紧凑，占用空间小，在短距离处投射出高质量的大尺寸画面。
此外，非球面反射镜采用下列公式进行表征：
式中，z为矢高，c表示曲面顶点处的曲率，k为二次曲面系数，a1、a2、a3、…为非球面高次项系数。
通过以上公式设计的凹面反射镜400，能够有效减少光线经过折射透镜组300后剩余的场曲和畸变，使成像保持高亮度和不变形，投影出高质量的大尺寸画面。
另外，因为屏幕到非球面反射镜朝向该屏幕的表面之间的主光轴的长度不大于510mm，所以整个***结构紧凑，占用空间小。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种折反式超短焦投影镜头***，其特征在于，包括：
显示芯片，用于调制投影机中从照明***来的照明光束且兼作所述折反式超短焦投影镜头***的物面，反射所述照明光束，形成成像光束；以及
沿该显示芯片的出射光路上依次设置的折射透镜组和非球面反射镜，
所述折射透镜组用于平衡所述成像光束中的球差、彗差、像散和色差，使所述成像光束成一弯曲的实像于所述非球面反射镜前，包含16片透镜，该16片透镜全部为球面透镜，
所述非球面反射镜用于校正所述折射透镜组的场曲和畸变，并反射光线成实像于屏幕。
2.根据权利要求1所述的折反式超短焦投影镜头***，其特征在于：
其中，所述透镜为由玻璃制成的球面透镜，
各个所述透镜的光学中心共轴成为主光轴。
3.根据权利要求2所述的折反式超短焦投影镜头***，其特征在于：
其中，所述16片透镜包括沿所述出射光路的方向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、第十四透镜、第十五透镜以及第十六透镜，
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第六透镜以及所述第八透镜均为双凸透镜，
所述第四透镜、所述第十二透镜、所述第十四透镜以及所述第十六透镜均为双凹透镜，
所述第三透镜、所述第五透镜、所述第七透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜以及所述第十三透镜均为正弯月透镜，
所述第十五透镜为负弯月透镜。
4.根据权利要求3所述的折反式超短焦投影镜头***，其特征在于：
其中，所述第四透镜和所述第五透镜胶合为一个整体，
所述第四透镜的折射率大于所述第五透镜的折射率，
所述第四透镜的阿贝数小于所述第五透镜的阿贝数。
5.根据权利要求3所述的折反式超短焦投影镜头***，其特征在于：
其中，所述第十三透镜、所述第十四透镜、所述第十五透镜以及所述第十六透镜组成一个调焦透镜组。
6.根据权利要求3所述的折反式超短焦投影镜头***，其特征在于：
其中，所述第十六透镜朝向所述非球面反射镜的表面与所述非球面反射镜朝向所述第十六透镜的表面之间的所述主光轴的长度不大于65mm，
所述显示芯片朝向所述非球面反射镜的表面到所述非球面反射镜朝向所述第十六透镜的表面之间的所述主光轴的长度不大于240mm。
7.根据权利要求2所述的折反式超短焦投影镜头***，其特征在于：
其中，所述显示芯片为数字微透镜器件，
所述显示芯片的尺寸为0.66英寸，分辨率为1080P，
所述显示芯片的中心相对于所述主光轴向上偏移1.65mm。
8.根据权利要求1所述的折反式超短焦投影镜头***，其特征在于：
其中，所述非球面反射镜为凹面反射镜，该凹面反射镜的面型为奇次多项式，非球面系数的阶数为20阶。
9.根据权利要求8所述的折反式超短焦投影镜头***，其特征在于：
其中，所述凹面反射镜采用下列公式进行表征：
式中，z为矢高，c表示曲面顶点处的曲率，k为二次曲面系数，a1、a2、a3、…为非球面高次项系数。
10.根据权利要求2所述的折反式超短焦投影镜头***，其特征在于：
其中，所述屏幕到所述非球面反射镜朝向所述屏幕的表面之间的所述主光轴的长度不大于510mm。
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