CN105372790B - 一种提高投影镜头零部件通用性的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高投影镜头零部件通用性的设计方法。该方法将光学特性略有差异的针对同种光学引擎而设计的投影镜头建立为一个族系，该系列投影镜头的投射比范围是：0.3：1‑10:1；该镜头族系至少包含两种规格以上的可单独用以投影的镜头，所述系列镜头中设置了可以通用的光学零件，尽可能增加可通用的光学零件的数量。通过上述设计方法，提高了零件的通用性，促进了投影镜头的规模化生产，大幅度降低了生产成本，提高了生产效率和装配效率。解决了传统数字投影机技术类型不同、规格繁杂，导致所需求的投影镜头规格繁杂，严重影响了批量生产的工艺性，使得生产成本偏高的问题。

Description

一种提高投影镜头零部件通用性的设计方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及数字投影镜头的一种提高投影镜头零部件通用性的设计方法。

背景技术

投影镜头具有将投影机芯片的光学信息映射到屏幕上的功能。投影镜头是整个投影工程的重要部件。目前市场上推出的各种投射比例的投影镜头，是按照常规思路而设计，如专利号为201210502204，《一种投射比为0.75的短焦投影镜头结构》、201210502204《一种投射比为0.65的短焦投影镜头结构》所公开的技术。即每设计一款镜头只是针对其自身的要素进行设计，并未将结构、特性相近的其他规格的镜头考虑在内，将其作为一个系列统筹设计，未考虑镜头零部件的通用性，因此，常规思路下设计出的投影镜头存在价格较高、零部件通用性不强、生产效率低的情况，不能很好地适应当今投影市场的需求。

一般来说，投影镜头由光学零件和机械零件构成。光学零件即指透镜，可以是玻璃、塑料、液体透镜，或是由其它透明材质制造的透镜，透镜表面可以是球面，也可以是非球面。机械零件包括压圈、隔圈、镜头筒、孔径光栏，可以由金属或工程塑料制造而成。镜头筒将所有的光学零件、压圈、隔圈和孔径光栏收容其中，并起到径向定位的作用。压圈安装于镜头筒的两端，将光学零件或机械零件固定在镜头筒内部，隔圈位于光学零件之间或光学零件与机械零件之间，用以控制光学零件的轴向间隔，每支镜头一般设置一个孔径光栏，安装在光学零件之间，用以限定光束的通过孔径。

目前，由于数字投影机技术类型不同、规格繁杂，导致所需求的投影镜头规格繁杂，严重影响了批量生产的工艺性，使得生产成本偏高。然而，对于相同技术类型的数字投影机来说，光学引擎结构相同，如果把芯片尺寸相近、投射比相近的投影镜头看作一个族系，就有可能统筹设计，而使得镜头零部件在一个族系内重复使用。尤其针对需求量相对不大的短焦和长焦投影镜头，镜头的批量不会很大，如何有效降低成本已经成为本技术领域的制约瓶颈。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种提高投影镜头零部件通用性的设计方法。该方法首先要构建一个投影镜头族系，在镜头族系内统筹设计，即，依据数字投影机技术类型、光学引擎构造、投影机芯片尺寸、投影镜头投射比信息，对各种规格的投影镜头需求进行归纳整理，把性能指标和匹配条件相近的投影镜头作为一个族系，所述族系至少包含两种以上具体规格的投影镜头，所有规格的镜头中存在可通用的光学零部件，尽可能增加可以通用的光学零件的数量, 甚至是机械零件。随着族系的扩大，通用零部件的比例会进一步提高，促进了光学零件的批量化生产，提高了生产效率和装配效率，降低了生产成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种提高投影镜头零部件通用性的设计方法，其步骤包括：

步骤1：依据数字投影机技术类型、光学引擎构造、投影机芯片尺寸、镜头投射比等信息，对镜头需求进行归纳整理，将性能指标和匹配条件相近的投影镜头建立为一个族系，进行统筹设计，所述族系中包含至少两种以上规格的可单独使用的投影镜头，族系内任意两镜头之间的焦距差应不大于最小焦距的30％，适配机器的芯片尺寸之差不大于0.25英寸，全视场角之差不大于20度，后工作距之差不大于20mm，所述族系的所有镜头的投射比范围是：0.3：1-10:1；

步骤2：以族系中的一个镜头的结构为起点，将其中的若干透镜的曲率半径、中心厚度、透镜材料的光学参数固定，镜头中除以上透镜外的其余的透镜的曲率半径、中心厚度、透镜材料，透镜之间的间隔设置为变量，并改变焦距、视场角、后工作距离中的一些结构参数，构造族系中另外规格的镜头，再以此镜头结构作为新的起点结构；将上述新的起点结构中的若干的透镜的曲率半径、中心厚度、透镜材料，作为固定参数，而将镜头中另外的透镜的曲率半径、中心厚度、透镜材料，和透镜间隔作为变量，建立起族系中其它的镜头结构，得到二级通用结构，称该族系为两级通用结构的镜头族系；以此类推，继续扩展，可建立起具有多级通用结构的镜头族系。

本发明中，所述镜头族系至少包括两级通用结构的镜头。

进一步地，所述族系中的不同款镜头之间，存在可以通用的光学零件，按数量统计，通用比例至少20％。

进一步地，所述投影镜头的光学零件，按照所处位置可以分为若干个透镜群，任一个或若干个透镜群也可以具有通用性。

进一步地，所述族系中的机械零件可作为通用零件，实现零件上的通用性。

进一步地，所述族系中的投影镜头可选用定焦投影镜头或是变焦投影镜头的任一种。

进一步地，所述族系中的投影镜头中的透镜可选用球面透镜或是非球面透镜的任一种。

进一步地，所述族系内所包含的投影镜头数量越多，零部件的通用性比例越大。

本发明的有益效果是：通过统筹设计、零部件通用化设计，促进了光学零件的批量化生产，提高了生产效率和装配效率，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明的镜头族系中三款镜头的光学结构示意图；

图2为A镜光学传递函数示意图；

图3为B镜光学传递函数示意图；

图4为C镜光学传递函数示意图。

具体实施方式

下面将结合附图实施例对本发明进行详细说明。

参阅图1，本发明一种提高投影镜头零部件通用性的设计方法，其设计步骤如下：

1、首先建立了具有可通用零部件的镜头族系，该族系包括三个镜头：A镜、 B镜，和C镜。三个镜头的光学特性相近且略有不同，其适配机型和设计参数如表1所示。

2、设计B镜结构，并以设计好的B镜结构作为起点，将前组五片透镜的参数，包括透镜的材料、厚度、曲率半径保持不变，将其余透镜的参数和间隔作为变量，改变其焦距、视场角和后工作距，建立A镜结构，即，A镜和B镜前组的光学零件是完全可以通用的，将A镜和B镜的前组称为AB镜前组。再将B镜后组四片透镜的各项参数保持固定，将其余的透镜的参数和透镜间隔作为变量，改变焦距和后工作距，建立C镜结构，即，B镜和C镜后组的透镜参数完全一致，包括透镜的材料、厚度、曲率半径，即，B镜和C镜后组的光学零件完全一致，可以通用，将B镜和C镜的后组称为BC镜后组。这样，就建立起了一个具有二级通用结构的镜头族系。

上述实施例所述族系中镜头，其中，AB镜前组和C镜前组的焦距均为负值， A镜后组或BC镜后组的焦距为正值，且A、B、C镜各自的前组与后组的焦距的绝对值之比如下，A镜前组与后组的焦距的绝对值之比，即AB镜前组与A镜后组的焦距绝对值之比的范围为1.5:1—2.5:1；B镜前组与后组的焦距的绝对值之比，即AB镜前组和BC镜后组的焦距绝对值之比的范围为1.1:1—1.6:1；C 镜前组与后组的焦距的绝对值之比，即C镜前组与BC镜后组的焦距绝对值之比的范围为1.1:1—1.6:1。

上述实施例所述族系中镜头，以投影屏幕端为前，投影机芯片端为后，则A 镜从前至后，依次包括AB镜前组，A镜后组及设置在A镜后组中的光阑。B镜从前至后，依次包括AB镜前组，BC镜后组及设置在BC镜后组中的光阑。C镜从前至后，依次包括C镜前组，BC镜后组及设置在BC镜后组中的光阑。

上述实施例所述族系中镜头，AB镜前组的透镜从前至后依次包括AB镜第一凸凹正透镜AB001，AB镜第一凸凹负透镜AB002，AB镜第二凸凹负透镜AB003， AB镜双凹负透镜AB004，AB镜凹凸正透镜AB005。

上述实施例所述族系中镜头，A镜后组的透镜从前至后依次包括，A镜凸凹正透镜A001，A镜第一双凸正透镜A002-1，A镜凹凸负透镜A002-2，A镜第二双凸正透镜A003，其中，A镜凸凹负透镜A002-1与A镜双凸正透A002-2镜构成一对双胶合透镜。

上述实施例所述族系中镜头，C镜前组的透镜从前至后依次包括C镜第一凸凹正透镜C001，C镜第一凸凹负透镜C002，C镜第二凸凹负透镜C003，C镜双凹负透镜C004，C镜凹凸正透镜C005。

上述实施例所述族系中镜头，BC镜后组的透镜从前至后依次包括，BC镜凸凹正透镜BC001，BC镜凸凹负透镜BC002-1，BC镜双凸正透镜BC002-2，BC镜凸平正透镜BC003，其中，BC镜凸凹负透镜BC002-1与BC镜双凸正透镜BC002-2 构成一对双胶合透镜。

上述实施例所述族系的A镜、B镜，和C镜三个镜头所采用的透镜放的面形均为球形，均采用了常规的光学玻璃材料。其中，A镜和B镜前组的材料，即 AB镜前组的透镜材料如下：透镜AB001的材料为重冕玻璃、镧冕玻璃或冕牌玻璃，透镜AB002为重火石玻璃，透镜AB003的材料为重冕玻璃、重钡火石，镧冕玻璃或冕牌玻璃，透镜AB004的材料为重冕玻璃、镧冕玻璃或冕牌玻璃，透镜AB005的材料为重火石玻璃。

上述实施例所述族系中镜头，C镜前组的透镜材料如下：透镜C001的材料为重冕玻璃、镧冕玻璃或冕牌玻璃，透镜C002为重火石玻璃，透镜C003的材料为重冕玻璃、重钡火石，镧冕玻璃或冕牌玻璃，透镜C004的材料为重冕玻璃、镧冕玻璃或冕牌玻璃，透镜C005的材料为重火石玻璃。

上述实施例所述族系中镜头，A镜后组的透镜材料如下：透镜A001的材料为重钡火石玻璃，或重冕玻璃，镧冕玻璃，透镜A002-1的材料为轻冕玻璃或冕牌玻璃，透镜A002-2的材料为重火石玻璃，透镜A003的材料为重冕玻璃、轻冕玻璃或冕牌玻璃。

上述实施例所述族系中镜头，B镜后组和C镜后组，即BC镜后组的透镜材料如下：透镜BC001的材料为重钡火石玻璃，或重冕玻璃，镧冕玻璃，透镜BC002-1 的材料为重火石玻璃，透镜BC002-2的材料为轻冕玻璃或冕牌玻璃，透镜BC003 的材料为轻冕玻璃或冕牌玻璃。

上述实施例所述族系中镜头，三款镜头的第一个透镜AB001以及C001是严重弯向屏幕端的光焦度为正的凸透镜，AB002、AB003以及C002、C003是弯曲比较严重的弯月形负透镜，以上是三款镜头位于屏幕端的前三个透镜，有力的压缩了光线进入镜头后的高度，起增大视场角的作用，A镜、B镜以及C镜的前组分别进行了色差校正，后组起到压缩出射视场角，以拉长后工作距，并提高相对照度的作用，并且能很好地平衡A镜前组和B镜前组所产生的剩余像差。

所述A镜、B镜、C镜的设计规格如表1所示。

表1.镜头规格表

表2、表3、表4分别给出了如表1所列三种规格的实施例中的A镜、B镜、C镜三款镜头的具体光学结构参数。

表2、A镜光学结构参数表

表3、B镜光学结构参数表

表4、C镜光学结构参数表

参阅图2、图3和图4的A镜、B镜和C镜光学传递函数来看，经过对镜头结构的合理选型以及光焦度的合理分配，在实现零件共用的基础上，又实现了良好的成像质量。A镜、B镜和C镜的光学传递函数完全满足了投影机分辨率的需求，均具有较高的对比度及清晰度。

本发明中，将光学零件作为通用零件在不同的镜头中使用，进一步地，也可将部分机械件作为通用件，再进一步地，可将镜头前筒或镜头后筒以及其中的全部机械件、光学件作为一个通用件。总之，采用本发明所提供的方法，尽可能多的设计一些通用件，可以进一步提高生产效率，减少生产成本。

按本发明的设计方法，若继续扩大族系，可以二级通用结构为基础，建立起与之拥有部分相同透镜参数的镜头结构，称之为三级通用结构，此时，该族系成为具有三级通用结构的镜头族系，以此类推，可继续扩展，建立起具有多级通用结构的镜头族系。

以上仅为根据本发明的方法所提供的实施例，凡是利用本发明构思所做的等效变换，或直接或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 (8)

1.提高投影镜头零部件通用性的设计方法，其特征在于，其设计步骤包括：

步骤1：将性能指标和匹配机型相近的投影镜头建立为一个族系统筹设计，所述族系中至少包含两种规格以上的可单独使用的投影镜头，族系内任意两镜头之间的焦距差应不大于最小焦距的30％，适配机器的芯片尺寸之差不大于0.25英寸，全视场角之差不大于20度，后工作距离之差不大于20mm，所述族系的所有镜头的投射比范围是：0.3:1-10:1；

步骤2：以族系中最先建立起来的镜头结构为起点，称该镜头结构为族系的起始通用结构，将其中的若干透镜的曲率半径、中心厚度、透镜材料的光学参数固定，镜头中除以上透镜外的其余透镜的曲率半径、中心厚度、透镜材料，透镜之间的间隔设置为变量，并改变焦距、视场角、后工作距离中的一些结构参数，建立族系中不同于族系的起始通用结构的另外的镜头结构，称为该族系的一级通用结构，由此，所述的起始通用结构与一级通用结构具有可以通用的若干透镜；再以族系的起始通用结构为起点，将所述的起始通用结构中未能与所述的一级通用结构通用的若干透镜的曲率半径、中心厚度、透镜材料，作为固定参数，而将镜头中其余透镜的曲率半径、中心厚度、透镜材料，和透镜间隔作为变量，建立起族系中不同于族系的起始通用结构和一级通用结构的镜头结构，称为该族系的二级通用结构，这样，所述的族系的起始通用结构与该族系的二级通用结构也具有了可以通用的若干透镜，该族系称为具有二级通用结构的镜头族系；以此类推，继续扩展，可建立起具有多级通用结构的镜头族系。

2.如权利要求1所述的提高投影镜头零部件通用性的设计方法，其特征在于，所述镜头族系至少包括两级通用结构的镜头族系。

3.如权利要求1所述的提高投影镜头零部件通用性的设计方法，其特征在于，所述族系中的不同款镜头之间，存在通用的光学零件，按数量统计，族系中任一支镜头中，通用的光学零件的数量占该款镜头透镜的总数量的比例至少为20％。

4.如权利要求1所述的提高投影镜头零部件通用性的设计方法，其特征在于，所述投影镜头的光学零件，按照所处位置分为若干个透镜群，任一个或若干个透镜群也可以具有通用性。

5.如权利要求1所述的提高投影镜头零部件通用性的设计方法，其特征在于，所述族系中的机械零件也可作为通用零件，实现零件上的通用性。

6.如权利要求1所述的提高投影镜头零部件通用性的设计方法，其特征在于，所述族系中的投影镜头可选用定焦投影镜头或是变焦投影镜头的任一种。

7.如权利要求1所述的提高投影镜头零部件通用性的设计方法，其特征在于，所述族系中的投影镜头中的透镜可选用球面透镜或是非球面透镜的任一种。

8.如权利要求1所述的提高投影镜头零部件通用性的设计方法，其特征在于，所述族系内所包含的投影镜头数量越多，零部件的通用性比例越大。