CN110646918B - 一种投影镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及光学技术领域，公开了一种投影镜头，该投影镜头包括依次设置的DMD芯片、等效棱镜、振镜、第一折射透镜组、光阑和第二折射透镜组；第一折射透镜组包括依次设置的第一透镜、三胶合透镜以及第五透镜，其中，三胶合透镜包括第二透镜、第三透镜和第四透镜，且第四透镜为非球面透镜。该三胶合透镜能够对球差、色差和二级光谱具有良好校正能力，因此，从该投影镜头出射的投影图像清晰度较高，且该投影镜头体积较小。

Description

一种投影镜头
技术领域
本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种投影镜头。
背景技术
随着投影技术的发展，对投影图像的清晰度要求也越来越高，为实现4K投影，目前较为经济的方式是采用0.33DMD芯片，该DMD芯片具有105万个微镜，可以投出1368x768个像素，然后在DMD芯片和棱镜之间添加振镜，通过振镜周期性振动的方式，在视觉上增加像素数量，实现4K分辨率的投影成像。
在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：在DMD芯片和棱镜之间添加振镜时，投影镜头的后焦需要预留振镜的空间，此时镜头的后焦距离会大幅度增加，投影镜头体积较大。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例的目的是提供一种能够实现高分辨率成像的投影镜头，该投影镜头体积较小。
本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
为解决上述技术问题，本发明实施例中提供了一种投影镜头，包括依次设置的DMD芯片、等效棱镜、振镜、第一折射透镜组、光阑和第二折射透镜组；
所述第一折射透镜组包括依次设置的第一透镜、三胶合透镜以及第五透镜，其中，所述三胶合透镜包括第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第四透镜为非球面透镜。
在一些实施例中，所述第二透镜和所述第三透镜为球面玻璃透镜；
所述第四透镜包括：靠近所述第三透镜的第一面和靠近所述第五透镜的第二面，所述第一面为球面，所述第二面为偶次非球面。
在一些实施例中，所述第一透镜和所述第五透镜为球面玻璃透镜。
在一些实施例中，所述第二折射透镜组包括依次设置的：第六透镜、第七透镜和第八透镜，其中，所述第八透镜为弱光焦度非球面透镜。
在一些实施例中，所述第六透镜和所述第七透镜为所述球面玻璃透镜；
所述第八透镜为塑料非球面透镜，所述第八透镜包括：靠近所述第七透镜的第三面和远离所述第七透镜的第四面，所述第三面和所述第四面均为偶次非球面。
在一些实施例中，所述第二折射透镜组还包括：第九透镜，所述第九透镜设置在所述第八透镜的出光方向上，所述第九透镜为球面玻璃透镜。
在一些实施例中，所述第一透镜的光焦度为正，所述第二透镜的光焦度为负，所述第三透镜的光焦度为正，所述第四透镜的光焦度为负，所述第五透镜的光焦度为正，所述第六透镜的光焦度为正，所述第七透镜的光焦度为负，所述第八透镜的光焦度为负，所述第九透镜的光焦度为负。
在一些实施例中，所述第七透镜的光焦度满足：-0.06≤φ7≤-0.05，所述第八透镜的光焦度满足：-0.02≤φ8≤0：所述第九透镜的光焦度满足：-0.03≤φ9≤-0.02。
在一些实施例中，所述DMD芯片的物理分辨率为93lp/mm。
在一些实施例中，所述投影镜头还包括：驱动电机，其与所述振镜连接，用于驱动所述振镜振动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种投影镜头，该投影镜头包括依次设置的DMD芯片、等效棱镜、振镜、第一折射透镜组、光阑和第二折射透镜组；第一折射透镜组包括依次设置的第一透镜、三胶合透镜以及第五透镜，其中，三胶合透镜包括第二透镜、第三透镜和第四透镜，且第四透镜为非球面透镜。该三胶合透镜能够对球差、色差和二级光谱具有良好校正能力，因此，从该投影镜头出射的投影图像清晰度较高，且该投影镜头体积较小。
附图说明
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种投影镜头的光学结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种投影镜头的光学结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种投影镜头的光学结构示意图；
图4是本发明实施例提供的投影镜头在分辨率为93lp/mm时的全视场传递函数MTF值示意图；
图5是本发明实施例提供的投影镜头在分辨率为67lp/mm时的全视场传递函数MTF值示意图；
图6是本发明实施例提供的投影镜头的全视场全波段的场曲与畸变图；
图7是本发明实施例提供的投影镜头的全视场全波段的的垂轴色差图；
图8是本发明实施例提供的投影镜头的全视场的点列图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”、“第三”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
为了便于连接结构限定，本发明以光路行进/光轴方向为参考进行部件的位置限定，例如，DMD芯片出射的光通过第一折射透镜组40的方向为“前”方向，光路从光阑50射出的方向为“水平”方向，第九透镜64在第八透镜63的“左”侧/边。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
请参见图1，为本发明实施例提供的一种投影镜头的光学结构示意图，该投影镜头包括：依次设置的DMD芯片10、等效棱镜20、振镜30、第一折射透镜组40、光阑50和第二折射透镜组60。
所述第一折射透镜组40包括依次设置的第一透镜41、三胶合透镜42以及第五透镜43，其中，所述三胶合透镜42包括第二透镜42a、第三透镜42b和第四透镜42c，所述第四透镜42c为非球面透镜。
本发明实施例中提供了一种投影镜头，该投影镜头设置有能够周期性振动的振镜30，能够实现4K的高分辨率成像，且该投影镜头内设置有包含三胶合透镜42的第一折射透镜组40，该三胶合透镜42能够对球差、色差和二级光谱具有良好校正能力，因此，从该投影镜头出射的投影图像清晰度较高。且本发明实施例提供的投影镜头由于采用的三胶合透镜42能够集成多个球面镜片和胶合透镜的功能，因而可以减少球面单透镜和胶合透镜的数量，从而缩短镜头总长。
所述DMD芯片10包括该DMD芯片10的有效面11以及该DMD芯片10的保护玻璃12，所述DMD芯片10用于处理影响信号，产生影像光束。该影像光束如图1所示向左出射，穿过所述等效棱镜20、所述振镜30、所述第一折射透镜组40、所述光阑50和所述第二折射透镜组60。因此，所述DMD芯片10、所述等效棱镜20、所述振镜30、所述第一折射透镜组40、所述光阑50和所述第二折射透镜组60位于同一光轴上，且所述等效棱镜20、所述振镜30、所述第一折射透镜组40、所述光阑50和所述第二折射透镜组60设置在所述DMD芯片10的出光方向上。在本发明实施例中，所述DMD芯片10的物理分辨率为93lp/mm，所述DMD芯片10为0.33DMD芯片。
在本发明实施例的实验设计中，所述等效棱镜20可以采用相同厚度的平行平板，以等效光线在棱镜中的状态。该等效棱镜20的作用是把光线偏折，将照明光路和成像光路分离，以免产生干涉。
在本发明实施例中，所述投影镜头还包括：驱动电机(未图示)，其与所述振镜30连接，用于驱动所述振镜30振动。本发明实施例通过驱动电机输出脉冲信号控制振镜30周期性振动的方式，在采用成本较低的0.33DMD芯片时，能够达到4K分辨率的影像输出。
具体地，所述第二透镜42a和所述第三透镜42b为球面玻璃透镜。所述第四透镜42c包括：靠近所述第三透镜42b的第一面S1和靠近所述第五透镜43的第二面S2，所述第一面S1为球面，所述第二面S2为偶次非球面。所述第一透镜41和所述第五透镜43为球面玻璃透镜。
在本发明实施例中，所述第二折射透镜组60包括依次设置的：第六透镜61、第七透镜62和第八透镜63，其中，所述第八透镜63为弱光焦度非球面透镜。
具体地，所述第六透镜61和所述第七透镜62为球面玻璃透镜。所述第八透镜63为塑料非球面透镜，所述第八透镜63包括：靠近所述第七透镜62的第三面S3和远离所述第七透镜62的第四面S4，所述第三面S3和所述第四面S4均为偶次非球面。
在本发明实施例中，所述第二折射透镜组60还包括：第九透镜64，所述第九透镜64设置在所述第八透镜63的出光方向上，所述第九透镜64为球面玻璃透镜。
通常地，投影镜头中最终出射的镜片为如第八透镜63的塑料非球面透镜，这类塑料非球面透镜在擦拭时容易出现膜裂和脱膜现象。因此，本发明实施例提供的投影镜头还包括了一材质为玻璃透镜的第九透镜64，将第八透镜63放置在该透镜的保护下，避免用户直接擦拭所述第八透镜63，能够有效达到防止镜头的膜裂和脱膜的目的。
在本发明实施例中，所述第一透镜41的光焦度为正，所述第二透镜42a的光焦度为负，所述第三透镜42b的光焦度为正，所述第四透镜42c的光焦度为负，所述第五透镜43的光焦度为正，所述第六透镜61的光焦度为正，所述第七透镜62的光焦度为负，所述第八透镜63的光焦度为负，所述第九透镜64的光焦度为负。
具体地，所述第七透镜62的光焦度满足：-0.06≤φ7≤-0.05，所述第八透镜63的光焦度满足：-0.02≤φ8≤0：所述第九透镜64的光焦度满足：-0.03≤φ9≤-0.02。在本发明实施例中，将所述第八透镜63的光焦度控制在比较弱的范围内，并在其两侧的设置光焦度较大的所述第七透镜62和所述第九透镜64承担光焦度。此外，通过所述第八透镜63的非球面表面对光线折射角度的有效修正，以达到像差校正的均衡，从而补偿温度变化对光线偏折角所造成的影响，保证了成像像质的稳定，避免了跑焦，同时采用塑料材质可以替代一个玻璃非球面透镜，节省了开模成本和材料成本。
具体地，如下表1所示，为本发明实施例提供的投射比为1.23的投影镜头的一组实际设计参数，在该设计参数下，本发明实施例提供的投影镜头的光学总长能够控制在小于78mm的范围内，且该投影镜头的有效焦距为9.24mm，该投影镜头的后焦距，即所述第九透镜64的左侧表面的顶点到所述DMD芯片10的有效面11的距离为28.1mm。
Nd Vd φ
第九透镜64 1.85 23.8 -0.025853
第八透镜63 1.53 56.1 -0.019486
第七透镜62 1.50 81.6 -0.05787
第六透镜61 1.90 31.3
第五透镜43 1.50 81.6
第四透镜42c 1.81 40.9
第三透镜42b 1.50 81.6
第二透镜42a 1.65 33.8
第一透镜41 1.50 81.6
表1
其中，Nd表示透镜的折射率，Vd表示透镜的阿贝数，φ表示透镜的实际光焦度。
在一些实施例中，请参见图2和图3，为本发明实施例提供的另外两种投影镜头的光学结构示意图，图2和图3所示投影镜头与图1所示投影镜头设计参数一致，与图1所示投影镜头不同的是，图2和图3所示投影镜头适当调整了所述第一折射透镜组40或所述第二折射透镜组60中部分透镜的空气间隔。例如，在图2中，适当增大了所述第四透镜42c和所述第五透镜43之间的空气间隔。或者，在图3中，适当增大了所述第八透镜63和所述第九透镜64之间的空气间隔。
基于图1所示投影镜头及表1所示投影镜头的实际设计参数，可得到如图4至图8所示投影镜头所在投影***中，能够表征该投影镜头在全视场全波段的成像质量图。具体地，
图4是本发明实施例提供的投影镜头在分辨率为93lp/mm时的全视场传递函数MTF值示意图，如图所示，投影镜头在93lp/mm的空间频率下全视场光学传递函数MTF>53％，指标较高。
图5是本发明实施例提供的投影镜头在分辨率为67lp/mm时的全视场传递函数MTF值示意图，如图所示，投影镜头在67lp/mm的空间频率下全视场光学传递函数MTF>70％，指标较高。
图6是本发明实施例提供的投影镜头的全视场全波段的场曲与畸变图，其中，左边的是场曲图，右边是畸变图，如图所示，投影镜头的场曲控制在<0.1mm内，畸变控制在<0.74％内。
图7是本发明实施例提供的投影镜头的全视场全波段的的垂轴色差图，如图所示，投影镜头的垂轴色差不超过3μm。
图8是本发明实施例提供的投影镜头的全视场的点列图，如图所示，投影镜头的rms半径控制在2.0μm<RMS<3.2μm，平均值约为2.7。
本发明实施例中提供了一种投影镜头，该投影镜头包括依次设置的DMD芯片、等效棱镜、振镜、第一折射透镜组、光阑和第二折射透镜组；第一折射透镜组包括依次设置的第一透镜、三胶合透镜以及第五透镜，其中，三胶合透镜包括第二透镜、第三透镜和第四透镜，且第四透镜为非球面透镜。该三胶合透镜能够对球差、色差和二级光谱具有良好校正能力，因此，从该投影镜头出射的投影图像清晰度较高，且该投影镜头体积较小。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种投影镜头，其特征在于，包括依次设置的DMD芯片、等效棱镜、振镜、第一折射透镜组、光阑和第二折射透镜组；
所述第一折射透镜组包括依次设置的第一透镜、三胶合透镜以及第五透镜，所述第二折射透镜组包括依次设置的：第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜，其中，所述三胶合透镜包括第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第四透镜为非球面透镜，所述第一透镜、所述第三透镜、所述第五透镜和所述第六透镜为凸透镜，所述第二透镜、所述第四透镜、所述第七透镜、所述第八透镜和所述第九透镜为凹透镜。
2.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，
所述第二透镜和所述第三透镜为球面玻璃透镜；
所述第四透镜包括：靠近所述第三透镜的第一面和靠近所述第五透镜的第二面，所述第一面为球面，所述第二面为偶次非球面。
3.根据权利要求1所述的投影镜头，其特征在于，
所述第一透镜和所述第五透镜为球面玻璃透镜。
4.根据权利要求2所述的投影镜头，其特征在于，
所述第八透镜为弱光焦度非球面透镜。
5.根据权利要求4所述的投影镜头，其特征在于，
所述第六透镜和所述第七透镜为所述球面玻璃透镜；
所述第八透镜为塑料非球面透镜，所述第八透镜包括：靠近所述第七透镜的第三面和远离所述第七透镜的第四面，所述第三面和所述第四面均为偶次非球面。
6.根据权利要求5所述的投影镜头，其特征在于，
所述第九透镜为球面玻璃透镜。
7.根据权利要求6所述的投影镜头，其特征在于，
所述第一透镜的光焦度为正，所述第二透镜的光焦度为负，所述第三透镜的光焦度为正，所述第四透镜的光焦度为负，所述第五透镜的光焦度为正，所述第六透镜的光焦度为正，所述第七透镜的光焦度为负，所述第八透镜的光焦度为负，所述第九透镜的光焦度为负。
8.根据权利要求7所述的投影镜头，其特征在于，
所述第七透镜的光焦度满足：-0.06≤φ7≤-0.05，所述第八透镜的光焦度满足：-0.02≤φ8≤0：所述第九透镜的光焦度满足：-0.03≤φ9≤-0.02。
9.根据权利要求1-8任一项所述的投影镜头，其特征在于，
所述DMD芯片的物理分辨率为93lp/mm。
10.根据权利要求1-8任一项所述的投影镜头，其特征在于，所述投影镜头还包括：驱动电机，其与所述振镜连接，用于驱动所述振镜振动。
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