CN110174751A - 投影镜头及投影显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种投影镜头及投影显示设备，所述投影镜头用于接收显示单元发射的投影光线，投影光线经过投影镜头射向光阑，所述投影镜头包括：沿所述光阑至所述显示单元方向，依次设置有用于投影成像的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜和第三正透镜；定义所述投影镜头的视场角为FOV，所述投影镜头的视场角一半为HFOV，所述投影镜头的第一正透镜的出光面至所述显示单元的显示成像面为所述投影镜头的总长，所述投影镜头的总长为TTL，则tan(HFOV)/TTL＞0.017，所述投影镜头的远心度为Tele，则Tele＜1°。本发明提供一种投影镜头，便于使投影设备小型化。
Description
技术领域
本发明涉及投影产品技术领域，尤其涉及一种投影镜头及投影显示设备。
背景技术
随着影像科技的进步，投影设备的需求越来越多，目前的投影设备体积较大，不便于携带与使用，尤其是光路设计相对复杂的投影镜头，一般设计使用有多组镜片，但是如此产生了投影设备难以小型化的问题。
发明内容
基于此，针对传统上投影设备难以小型化的问题，有必要提供一种投影镜头及投影显示设备，能够有效解决投影设备难以小型化的问题。
为实现上述目的，本发明提出投影镜头，所述投影镜头用于接收显示单元发射的投影光线，所述投影光线经过所述投影镜头射向光阑，所述投影镜头包括：
沿所述光阑至所述显示单元方向，依次设置有用于投影成像的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜和第三正透镜；
定义所述投影镜头的视场角为FOV，所述投影镜头的视场角一半为HFOV，所述投影镜头的第一正透镜的出光面至所述显示单元的显示成像面为所述投影镜头的总长，所述投影镜头的总长为TTL，则
tan(HFOV)/TTL>0.017
所述投影镜头的远心度为Tele，则
Tele<1°。
可选地，所述第一正透镜、所述第一负透镜、所述第二正透镜和所述第三正透镜的折射率范围均在1.45-1.75之间，色散系数均在50-70之间。
可选地，定义所述投影镜头的有效焦距为f，所述第一正透镜的有效焦距为f1，所述第一负透镜的有效焦距为f2，所述第二正透镜的有效焦距f3，所述第三正透镜的有效焦距为f4，则
1<f/f1<1.5，-3.7<f/f2<-2，0.5<f/f3<1.5，0.5<f/f4<1.3。
可选地，所述第一正透镜的出光面至少具有一个第一反曲点，所述第一反曲点设置于所述第一正透镜边缘，所述第一正透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第一负透镜为凹凸透镜，所述第一负透镜的出光面朝向所述投影光线的出射方向凹陷，所述第一负透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第二正透镜为凹凸透镜，所述第二正透镜的出光面朝向所述投影光线的出射方向凹陷，所述第二正透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第二正透镜的厚度在1.5mm-1.7mm之间，所述第三正透镜的入光面至少具有一个第二反曲点，所述第二反曲点设置于所述第三正透镜边缘，且所述第三正透镜的出光面的中心区域朝向所述投影光线出射方向凸起，所述第三正透镜的入光面的中心区域朝向所述投影光线入射方向凹陷。
可选地，所述第一正透镜为双凸透镜，所述第一负透镜的出光面朝向所述投影光线的出射方向凹陷，所述第一负透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第二正透镜为凹凸透镜，所述第二正透镜的出光面朝向所述投影光线的出射方向凹陷，所述第二正透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第二正透镜的厚度在0.8mm-0.9mm之间，所述第三正透镜的入光面至少具有一个第三反曲点，所述第三反曲点设置于所述第三正透镜边缘，且所述第三正透镜的出光面的中心区域朝向所述投影光线出射方向凸起，所述第三正透镜的入光面的中心区域朝向所述投影光线入射方向凹陷。
可选地，所述第一正透镜为双凸透镜，所述第一负透镜的出光面朝向所述投影光线的出射方向凹陷，所述第一负透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第二正透镜为凹凸透镜，所述第二正透镜的出光面朝向所述投影光线的出射方向凹陷，所述第二正透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第二正透镜的厚度在1.3mm-1.4mm之间，所述第三正透镜的入光面至少具有一个第四反曲点，所述第四反曲点设置于所述第三正透镜边缘，且所述第三正透镜的出光面的中心区域朝向所述投影光线出射方向凸起，所述第三正透镜的入光面的中心区域朝向所述投影光线入射方向凹陷。
可选地，所述第三正透镜至所述显示单元之间的光路中设置有用于折转光路的折转棱镜，所述显示单元面向所述投影光线的入射方向设置有防护玻璃。
可选地，所述投影镜头的总长为TTL小于21.4mm，所述投影镜头垂直方向的高度为DIA，DIA小于10mm。
可选地，所述投影镜头的第一正透镜的出光面距离所述光阑为5mm，所述第一正透镜、所述第一负透镜、所述第二正透镜以及所述第三正透镜均为塑胶材料。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种投影显示设备，包括：外壳和如上文所述投影镜头，所述投影镜头设置于所述外壳内。
本发明提出的技术方案中，通过在沿光阑至显示单元方向的光路中，依次设置有用于投影成像的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜和第三正透镜，通过设定投影镜头的视场角一半HFOV的正切值与投影镜头总长TTL之比大于0.017实现投影镜头的小型化，同时设定投影镜头的远心度Tele小于1°，能够提高投影镜头的成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明投影镜头第一实施例的光线传播示意图；
图2为图1中本发明投影镜头的结构示意图；
图3为本发明投影镜头第二实施例的结构示意图；
图4为本发明投影镜头第三实施例的结构示意图；
图5为图2中本发明投影镜头的MTF图；
图6为图2中本发明投影镜头的点列图；
图7为图2中本发明投影镜头的左场曲图和右畸变图；
图8为图2中本发明投影镜头的相对照度图；
图9为图2中本发明投影镜头的离焦曲线图；
图10为图3中本发明投影镜头的MTF图；
图11为图3中本发明投影镜头的点列图；
图12为图3中本发明投影镜头的左场曲图和右畸变图；
图13为图3中本发明投影镜头的相对照度图；
图14为图3中本发明投影镜头的离焦曲线图；
图15为图4中本发明投影镜头的MTF图；
图16为图4中本发明投影镜头的点列图；
图17为图4中本发明投影镜头的左场曲图和右畸变图；
图18为图4中本发明投影镜头的相对照度图；
图19为图4中本发明投影镜头的离焦曲线图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 100 | 光阑 | 520 | 第三反曲点 |
| 200 | 第一正透镜 | 530 | 第四反曲点 |
| 210 | 第一反曲点 | 600 | 折转棱镜 |
| 300 | 第一负透镜 | 700 | 防护玻璃 |
| 400 | 第二正透镜 | 800 | 显示单元 |
| 500 | 第三正透镜 | 900 | 投影光线 |
| 510 | 第二反曲点 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1和图2所示，本发明提出的投影镜头，投影镜头用于接收显示单元800发射的投影光线900，投影光线900经过投影镜头射向光阑100，投影镜头包括：
沿光阑100至显示单元800方向的光路中，依次设置有用于投影成像的第一正透镜200、第一负透镜300、第二正透镜400和第三正透镜500。
定义投影镜头的视场角为FOV，投影镜头的视场角一半为HFOV，投影镜头的第一正透镜200的出光面至显示单元800的显示成像面为投影镜头的总长，投影镜头的总长为TTL，则
tan(HFOV)/TTL>0.017
投影镜头的远心度为Tele，则
Tele<1°。
本发明提出的技术方案中，通过在沿光阑100至显示单元800方向的光路中，依次设置有用于投影成像的第一正透镜200、第一负透镜300、第二正透镜400和第三正透镜500，通过设定投影镜头的视场角一半HFOV的正切值与投影镜头总长TTL之比大于0.017实现投影镜头的小型化，同时设定投影镜头的远心度Tele小于1°，能够提高投影镜头的成像质量。
进一步地，第一正透镜200、第一负透镜300、第二正透镜400和第三正透镜500的折射率范围均在1.45-1.75之间，色散系数均在50-70之间，由此通过控制第一正透镜200、第一负透镜300、第二正透镜400和第三正透镜500的折射率以及色散系数，能够提高投影镜头的成像质量。
进一步地，定义投影镜头的有效焦距为f，第一正透镜200的有效焦距为f1，第一负透镜300的有效焦距为f2，第二正透镜400的有效焦距f3，第三正透镜500 的有效焦距为f4，则
1<f/f1<1.5，-3.7<f/f2<-2，0.5<f/f3<1.5，0.5<f/f4<1.3，通过控制投影镜头的有效焦距，分别和第一正透镜200的有效焦距，第一负透镜300的有效焦距，第二正透镜400的有效焦距以及第三正透镜500的有效焦距的比值范围，使投影镜头进一步小型化，同时提高投影镜头的成像质量。
参阅图5-图9所示，进一步地，第一正透镜200的出光面至少具有一个第一反曲点210，第一反曲点210设置于第一正透镜200边缘，第一正透镜200的入光面朝向投影光线900的入射方向凸起，第一负透镜300为凹凸透镜，第一负透镜300的出光面朝向投影光线900的出射方向凹陷，第一负透镜300的入光面朝向投影光线900的入射方向凸起，第二正透镜400为凹凸透镜，第二正透镜 400的出光面朝向投影光线900的出射方向凹陷，第二正透镜400的入光面朝向投影光线900的入射方向凸起，第二正透镜400的厚度在1.5mm-1.7mm之间，第三正透镜500的入光面至少具有一个第二反曲点510，第二反曲点510设置于第三正透镜500边缘，且第三正透镜500的出光面的中心区域朝向投影光线出射方向凸起，第三正透镜500的入光面的中心区域朝向投影光线900入射方向凹陷，反曲点一般用于校正轴外像差，由此提高投影镜头的小型化，同时提高投影镜头的成像质量，其中图5为MTF调制传递函数图，是一种分析镜头质量的方法，主要用于反应成像清晰度，MTF值越高，成像越清晰，图6为投影镜头的点列图，理想光学***在像面上应该是一个像点，然而光学***都存在像差，导致最后可能成像为一个像斑，点列图主要反映镜头的像差情况；图7中左图为场曲图反映成像清晰的像面弯曲情况，右图为畸变图，反映成像的形变情况；图8为一个相对照度图，用于反映成像的亮度均匀情况；图9为离焦曲线图，不同像面位置和不同视场的MTF关系图。
参阅图3及图10-图14所示，第一正透镜200为双凸透镜，第一负透镜300 的出光面朝向投影光线900的出射方向凹陷，第一负透镜300的入光面朝向投影光线900的入射方向凸起，第二正透镜400为凹凸透镜，第二正透镜400的出光面朝向投影光线900的出射方向凹陷，第二正透镜400的入光面朝向投影光线900的入射方向凸起，第二正透镜400的厚度在0.8mm-0.9mm之间，第三正透镜500的入光面至少具有一个第三反曲点520，第三反曲点520设置于第三正透镜500边缘，且第三正透镜500的出光面的中心区域朝向投影光线900出射方向凸起，第三正透镜500的入光面的中心区域朝向投影光线900入射方向凹陷，由此提高投影镜头的小型化，同时提高投影镜头的成像质量，其中图10为MTF 调制传递函数图，是一种分析镜头质量的方法，主要用于反应成像清晰度， MTF值越高，成像越清晰，图11为投影镜头的点列图，理想光学***在像面上应该是一个像点，然而光学***都存在像差，导致最后可能成像为一个像斑，点列图主要反映镜头的像差情况；图12中左图为场曲图反映成像清晰的像面弯曲情况，右图为畸变图，反映成像的形变情况；图13为一个相对照度图，用于反映成像的亮度均匀情况；图14为离焦曲线图，不同像面位置和不同视场的MTF关系图。
参阅图4及图15-图19所示，第一正透镜200为双凸透镜，第一负透镜300 的出光面朝向投影光线900的出射方向凹陷，第一负透镜300的入光面朝向投影光线900的入射方向凸起，第二正透镜400为凹凸透镜，第二正透镜400的出光面朝向投影光线900的出射方向凹陷，第二正透镜400的入光面朝向投影光线900的入射方向凸起，第二正透镜400的厚度在1.3mm-1.4mm之间，第三正透镜500的入光面至少具有一个第四反曲点530，第四反曲点530设置于第三正透镜500边缘，且第三正透镜500的出光面的中心区域朝向投影光线900出射方向凸起，第三正透镜500的入光面的中心区域朝向投影光线900入射方向凹陷，由此提高投影镜头的小型化，同时提高投影镜头的成像质量，其中图15为MTF 调制传递函数图，是一种分析镜头质量的方法，主要用于反应成像清晰度，MTF值越高，成像越清晰，图16为投影镜头的点列图，理想光学***在像面上应该是一个像点，然而光学***都存在像差，导致最后可能成像为一个像斑，点列图主要反映镜头的像差情况；图17中左图为场曲图反映成像清晰的像面弯曲情况，右图为畸变图，反映成像的形变情况；图18为一个相对照度图，用于反映成像的亮度均匀情况；图19为离焦曲线图，不同像面位置和不同视场的MTF关系图。
进一步地，第三正透镜500至显示单元800之间的光路中设置有用于折转光路的折转棱镜600，显示单元800面向投影光线的入射方向设置有防护玻璃 700，其中，折转棱镜600用于转换投影光线的前进方向，用于进一步缩短光路，利于投影镜头的小型化，防护玻璃700用于保护显示单元800，避免显示单元800受到外力破坏导致无法正常使用。
进一步地，投影镜头的总长为TTL小于21.4mm，投影镜头垂直方向的高度为DIA，DIA小于10mm，通过控制投影镜头的总长TTL小于21.4mm，以及控制投影镜头垂直方向的高度DIA小于10mm，能够有效限定投影镜头的尺寸，利于小型化。
进一步地，投影镜头的第一正透镜200的出光面距离光阑100的距离为 5mm，第一正透镜200、第一负透300镜、第二正透镜400以及第三正透镜500 均为塑胶材料，例如塑胶材料为OKP1、APEL或者E48R等材料，塑胶材料易于加工，成本较低，同时可根据需要注塑成型，便于加工制造复杂结构图形。
本发明还提供一种投影显示设备，包括：外壳(图未示)和投影镜头，投影镜头用于接收显示单元800发射的投影光线900，投影光线900经过投影镜头射向光阑100，投影镜头设置于外壳内，投影镜头包括沿光阑100至显示单元800方向的光路中，依次设置有用于投影成像的第一正透镜200、第一负透镜300、第二正透镜400和第三正透镜500。
定义投影镜头的视场角为FOV，投影镜头的视场角一半为HFOV，投影镜头的第一正透镜200的出光面至显示单元800的显示成像面为投影镜头的总长，投影镜头的总长为TTL，则tan(HFOV)/TTL>0.017，投影镜头的远心度为Tele，则Tele<1°。
本实施例提出的技术方案中，通过在沿光阑100至显示单元800方向的光路中，依次设置有用于投影成像的第一正透镜200、第一负透镜300、第二正透镜400和第三正透镜500，通过设定投影镜头的视场角一半HFOV的正切值与投影镜头总长TTL之比大于0.017实现投影镜头的小型化，同时设定投影镜头的远心度Tele小于1°，能够提高投影镜头的成像质量。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种投影镜头，其特征在于，所述投影镜头用于接收显示单元发射的投影光线，所述投影光线经过所述投影镜头射向光阑，所述投影镜头包括：
沿所述光阑至所述显示单元方向，依次设置有用于投影成像的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜和第三正透镜；
定义所述投影镜头的视场角为FOV，所述投影镜头的视场角一半为HFOV，所述投影镜头的第一正透镜的出光面至所述显示单元的显示成像面为所述投影镜头的总长，所述投影镜头的总长为TTL，则
tan(HFOV)/TTL>0.017
所述投影镜头的远心度为Tele，则
Tele<1°。
2.如权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，所述第一正透镜、所述第一负透镜、所述第二正透镜和所述第三正透镜的折射率范围均在1.45-1.75之间，色散系数均在50-70之间。
3.如权利要求2所述的投影镜头，其特征在于，定义所述投影镜头的有效焦距为f，所述第一正透镜的有效焦距为f1，所述第一负透镜的有效焦距为f2，所述第二正透镜的有效焦距f3，所述第三正透镜的有效焦距为f4，则
1<f/f1<1.5，-3.7<f/f2<-2，0.5<f/f3<1.5，0.5<f/f4<1.3。
4.如权利要求3所述的投影镜头，其特征在于，所述第一正透镜的出光面至少具有一个第一反曲点，所述第一反曲点设置于所述第一正透镜边缘，所述第一正透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第一负透镜为凹凸透镜，所述第一负透镜的出光面朝向所述投影光线的出射方向凹陷，所述第一负透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第二正透镜为凹凸透镜，所述第二正透镜的出光面朝向所述投影光线的出射方向凹陷，所述第二正透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第二正透镜的厚度在1.5mm-1.7mm之间，所述第三正透镜的入光面至少具有一个第二反曲点，所述第二反曲点设置于所述第三正透镜边缘，且所述第三正透镜的出光面的中心区域朝向所述投影光线出射方向凸起，所述第三正透镜的入光面的中心区域朝向所述投影光线入射方向凹陷。
5.如权利要求3所述的投影镜头，其特征在于，所述第一正透镜为双凸透镜，所述第一负透镜的出光面朝向所述投影光线的出射方向凹陷，所述第一负透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第二正透镜为凹凸透镜，所述第二正透镜的出光面朝向所述投影光线的出射方向凹陷，所述第二正透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第二正透镜的厚度在0.8mm-0.9mm之间，所述第三正透镜的入光面至少具有一个第三反曲点，所述第三反曲点设置于所述第三正透镜边缘，且所述第三正透镜的出光面的中心区域朝向所述投影光线出射方向凸起，所述第三正透镜的入光面的中心区域朝向所述投影光线入射方向凹陷。
6.如权利要求3所述的投影镜头，其特征在于，所述第一正透镜为双凸透镜，所述第一负透镜的出光面朝向所述投影光线的出射方向凹陷，所述第一负透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第二正透镜为凹凸透镜，所述第二正透镜的出光面朝向所述投影光线的出射方向凹陷，所述第二正透镜的入光面朝向所述投影光线的入射方向凸起，所述第二正透镜的厚度在1.3mm-1.4mm之间，所述第三正透镜的入光面至少具有一个第四反曲点，所述第四反曲点设置于所述第三正透镜边缘，且所述第三正透镜的出光面的中心区域朝向所述投影光线出射方向凸起，所述第三正透镜的入光面的中心区域朝向所述投影光线入射方向凹陷。
7.如权利要求1-6任一项所述的投影镜头，其特征在于，所述第三正透镜至所述显示单元之间的光路中设置有用于折转光路的折转棱镜，所述显示单元面向所述投影光线的入射方向设置有防护玻璃。
8.如权利要求1-6任一项所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的总长为TTL，TTL小于21.4mm，所述投影镜头垂直方向的高度为DIA，DIA小于10mm。
9.如权利要求1-6任一项所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的第一正透镜的出光面距离所述光阑为5mm，所述第一正透镜、所述第一负透镜、所述第二正透镜以及所述第三正透镜均为塑胶材料。
10.一种投影显示设备，其特征在于，包括：外壳和如权利要求1-9任一项所述投影镜头，所述投影镜头设置于所述外壳内。
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