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CN106896480B - 一种投影机远心变焦镜头 - Google Patents

一种投影机远心变焦镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种投影机远心变焦镜头，由物端至像端依次包括：第一透镜组(1)，从物端至像端依次包括第一玻璃球面弯月透镜(11)、第二玻璃球面弯月透镜(12)、塑料非球面透镜(13)、双凹玻璃球面透镜(14)、第一双凸玻璃球面透镜(15)、第二双凸玻璃球面透镜(16)和凸凹玻璃球面透镜(17)；第二透镜组(2)，从物端至像端依次包括玻璃球面正透镜(21)和玻璃球面负透镜(22)；第三透镜组(3)，从物端至像端依次包括第一玻璃球面正透镜(31)和第二玻璃球面正透镜(32)。本发明通过使用塑料非球面透镜，可以有效控制变焦过程中投影画面的齐焦性，降低孔径光阑加宽而衍生的像差，提升变焦镜头的解像能力，提高投影图像的品质。

Description

一种投影机远心变焦镜头
技术领域
本发明属于图像投影技术领域，特别涉及一种投影机远心变焦镜头。
背景技术
现有的数字投影显示技术主要采用DMD或者LCOS作为显示器件，采用偏振分光元件(PBS)或者全反射分光元件(TIR)作为照明或成像分光器件，通过设计合理的投影镜头光路，将从显示器件上反射的图像聚焦到显示投影屏幕上面，形成放大的投影画面。为取得良好的显示图像品质以及较大的投影画面尺寸(投射比<1.5的情况下)，投影镜头通常结构复杂，图像的畸变较大，而且产生的放大率色差不易控制，在变焦过程中像面的齐焦性不好。由于玻璃材料价格高，加工以及装配工艺复杂，良率不易控制，现有投影镜头通常价格昂贵。
而由于近来各式光源发展成熟，因此，如何提供一种适合用于不同光源且可避免光效率不足的变焦投影镜头，为目前相关业者的研发重点之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过使用塑料非球面透镜，可以有效控制变焦过程中投影画面的齐焦性，降低小投射比画面时候的图像畸变，有助于降低孔径光阑加宽而衍生的像差，提升该变焦投影镜头的解像能力的投影机远心变焦镜头。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种投影机远心变焦镜头，由物端至像端依次包括：
第一透镜组，从物端至像端依次包括第一玻璃球面弯月透镜、第二玻璃球面弯月透镜、塑料非球面透镜、双凹玻璃球面透镜、第一双凸玻璃球面透镜、第二双凸玻璃球面透镜和凸凹玻璃球面透镜；
第二透镜组，从物端至像端依次包括彼此胶合的玻璃球面正透镜和玻璃球面负透镜；
第三透镜组，从物端至像端依次包括第一玻璃球面正透镜和第二玻璃球面正透镜。
进一步地，所述第一透镜组为正光焦度透镜组，第一透镜组的焦距f1与该远心变焦镜头在广角端的焦距fw满足：1.2＜|f1/fw|＜1.9。第二透镜组为负光焦度透镜组，第二透镜组的焦距f2与该远心变焦镜头在广角端的焦距fw满足：2＜|f2/fw|＜2.9。第三透镜组为正光焦度透镜组，第三透镜组的焦距f3与该远心变焦镜头在广角端的焦距fw满足：1.3＜|f3/fw|＜1.56。
进一步地，所述塑料非球面透镜为朝物端凸出的月凹透镜，塑料非球面透镜的焦距fa与该远心变焦镜头在广角端的焦距fw满足：4.8＜|fa/fw|＜6。
进一步地，所述第二透镜组中玻璃球面正透镜的色散系数v1和玻璃球面负透镜的色散系数v2满足：1.5＜|v1/v2|＜2。
进一步地，投影图像的半视场角ω满足：38°<ω<48°。
进一步地，所述投影机远心变焦镜头的投影镜头的像方相对孔径FN满足：2.2≤FN≤2.5。
其中最接近图像显示单元的透镜，即第二玻璃球面正透镜在变焦时从广角侧向远距侧移动；投影机远心变焦镜头的入瞳位置在无穷远处，各视场的主光线与镜头的光轴平行。
本发明的有益效果是：
1、通过使用塑料非球面透镜，可以有效缩减变焦投影镜头总长，控制变焦过程中投影画面的齐焦性，降低小投射比画面时候的图像畸变，有助于降低孔径光阑加宽而衍生的像差，提升该变焦投影镜头的解像能力，减小分辨率色差，提高投影图像的品质；而且镜头结构简，能够减少透镜使用数量；
2、能够降低变焦镜头的相对孔径，也就是放大孔径光阑的径宽，提升投影机的光效率。
附图说明
图1为本发明的投影机远心变焦镜头结构示意图；
图2是本发明实施例1广角端的球差图；
图3是本发明实施例1广角端的倍率色差图；
图4是本发明实施例1广角端的场曲图；
图5是本发明实施例1广角端的畸变图；
图6是本发明实施例1广角端的光学传递函数图；
图7是本发明实施例1远距端的球差图；
图8是本发明实施例1远距端的倍率色差图；
图9是本发明实施例1远距端的场曲图；
图10是本发明实施例1远距端的畸变图；
图11是本发明实施例1远距端的光学传递函数图；
附图标记说明：
1-第一透镜组，11-第一玻璃球面弯月透镜，12-第二玻璃球面弯月透镜，13-塑料非球面透镜，14-双凹玻璃球面透镜，15-第一双凸玻璃球面透镜，16-第二双凸玻璃球面透镜，17-凸凹玻璃球面透镜；
2-第二透镜组，21-玻璃球面正透镜，22-玻璃球面负透镜；
3-第三透镜组，31-第一玻璃球面正透镜，32-第二玻璃球面正透镜。
具体实施方式
本发明提供一种远心变焦距投影镜头，可以与DMD或LCOS显示器件以及相对应照明光路进行配合使用。显示器件上可以显示数字式图案，此远心变焦投影仪可以将显示器件反射的光束进行收集并投射到屏幕上，其位置布局从显示器件到显示屏幕依次为：DMD或LCOS显示器件、分光器件、透镜组1-3和投影屏幕。投影镜头焦距f′满足：17.6mm≤f′≤21.2mm。
下面结合附图进一步说明本发明的远心投影变焦镜头的技术方案。
如图1所示，一种投影机远心变焦镜头，由物端至像端依次包括：
第一透镜组1，从物端至像端依次包括第一玻璃球面弯月透镜11、第二玻璃球面弯月透镜12、塑料非球面透镜13、双凹玻璃球面透镜14、第一双凸玻璃球面透镜15、第二双凸玻璃球面透镜16和凸凹玻璃球面透镜17；通过使用塑料非球面透镜13，可以有效缩减变焦投影镜头总长，控制变焦过程中投影画面的齐焦性，降低小投射比画面时候的图像畸变，修正投影影像的像差，分辨率色差小，而且镜头结构简，能够减少透镜使用数量；
第二透镜组2，从物端至像端依次包括彼此胶合的玻璃球面正透镜21和玻璃球面负透镜22；通过移动玻璃球面正透镜21和玻璃球面负透镜22，可以有效改变镜头的焦距；
第三透镜组3，从物端至像端依次包括第一玻璃球面正透镜31和第二玻璃球面正透镜32；第三透镜组3可以有效缩减变焦投影镜头总长、修正投影影像的像差、减少透镜使用数量。
进一步地，所述第一透镜组1为正光焦度透镜组，第一透镜组1的焦距f1与该远心变焦镜头在广角端的焦距fw满足：1.2＜|f1/fw|＜1.9。第二透镜组2为负光焦度透镜组，第二透镜组的焦距f2与该远心变焦镜头在广角端的焦距fw满足：2＜|f2/fw|＜2.9。第三透镜组3为正光焦度透镜组，第三透镜组的焦距f3与该远心变焦镜头在广角端的焦距fw满足：1.3＜|f3/fw|＜1.56。
进一步地，所述塑料非球面透镜13为朝物端凸出的月凹透镜，塑料非球面透镜13的焦距fa与该远心变焦镜头在广角端的焦距fw满足：4.8＜|fa/fw|＜6。
进一步地，所述第二透镜组2中玻璃球面正透镜21的色散系数v1和玻璃球面负透镜22的色散系数v2满足：1.5＜|v1/v2|＜2。
进一步地，投影图像的半视场角ω满足：38°<ω<48°。
进一步地，所述投影机远心变焦镜头的投影镜头的像方相对孔径FN满足：2.2≤FN≤2.5。
其中最接近图像显示单元的透镜，即第二玻璃球面正透镜32在变焦时从广角侧向远距侧移动；投影机远心变焦镜头的入瞳位置在无穷远处，各视场的主光线与镜头的光轴平行。
下面通过具体实施例来验证本发明的投影机远心变焦镜头的投影效果。
实施例1
本实施例中，该远心变焦镜头在广角端的焦距fw为17.8273毫米；第一透镜组1焦距f1为33.871561毫米，塑料非球面透镜13的焦距fa为-105.5792毫米；第二透镜组2焦距f2为-51.290198毫米，玻璃球面正透镜21的色散系数v1为53.2，玻璃球面负透镜22的色散系数v2为27.55；第三透镜组3焦距f3为27.586686毫米，满足前述条件。
此外，相对孔径由广角端、中间状态、远距端依序为2.2、2.4、2.5，该变焦投影镜头焦距由广角端、中间状态、远距端依序为17.8273毫米、19.3257毫米、21.2037毫米。表1-1为该投影机远心变焦镜头实施例1的各式参数，表中，S1～S21为图1中的各个面。
表1-1
Figure BDA0001269702400000041
Figure BDA0001269702400000051
本实施例的塑料非球面透镜13至少具有一个非球面，非球面的形状按如下多项式得出：
Figure BDA0001269702400000052
以表面顶点作为参考点，Z为沿光轴方向在高度r位置距光轴的位移值，k为锥度系数(conic coefficient)，c为曲率半径的倒数，α1至α8为高阶非球面系数。塑料非球面透镜13的系数如下表1-2所示：
表1-2
Figure BDA0001269702400000053
Figure BDA0001269702400000061
根据上述成像系统和各个透镜参数得出的远心变焦镜头，其广角端的球差如图2所示，广角端的倍率色差如图3所示，广角端的场曲如图4所示，广角端的畸变如图5所示，广角端在66lp/mm的空间频率下的全视场光学传递函数MTF>40％，如图6所示。其远距端的球差如图7所示，远距端的倍率色差如图8所示，远距端的场曲如图9所示，远距端的畸变如图10所示，远距端在66lp/mm的空间频率下的全视场光学传递函数MTF>40％，如图11所示。
根据图2至图11可以看出，本实施例远心变焦镜头的球面像差、倍率色像差、场曲、畸变像差并不严重，可得知本实施例具有良好的光学成像本领。
实施例2
本实施例中，该远心变焦镜头在广角端的焦距fw为21.3092毫米；第一透镜组1焦距f1为27.6589毫米，塑料非球面透镜13的焦距fa为-105.7586毫米；第二透镜组2焦距f2为-43.76毫米，玻璃球面正透镜21的色散系数v1为53.93，玻璃球面负透镜22的色散系数v2为27.54；第三透镜组3焦距f3为28.33542毫米，满足前述条件。
此外，相对孔径由广角端、中间状态、远距端依序为2.2、2.4、2.5，该变焦投影镜头焦距由广角端、中间状态、远距端依序为17.6815毫米、19.1997毫米、21.3092毫米。表2-1为该投影机远心变焦镜头实施例2的各式参数。
表2-1
Figure BDA0001269702400000062
Figure BDA0001269702400000071
本实施例的塑料非球面透镜13至少具有一个非球面，非球面的形状按如下多项式得出：
Figure BDA0001269702400000072
以表面顶点作为参考点，Z为沿光轴方向在高度r位置距光轴的位移值，k为锥度系数(conic coefficient)，c为曲率半径的倒数，α1至α8为高阶非球面系数。塑料非球面透镜13的系数如下表2-2所示：
表2-2
Figure BDA0001269702400000073
Figure BDA0001269702400000081
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种投影机远心变焦镜头，其特征在于，从物端至像端依次由第一透镜组(1)、第二透镜组(2)、第三透镜组(3)组成：
第一透镜组(1)，从物端至像端依次由第一玻璃球面弯月透镜(11)、第二玻璃球面弯月透镜(12)、塑料非球面透镜(13)、双凹玻璃球面透镜(14)、第一双凸玻璃球面透镜(15)、第二双凸玻璃球面透镜(16)和凸凹玻璃球面透镜(17)组成；第一透镜组(1)为正光焦度透镜组；
第二透镜组(2)，从物端至像端依次由彼此胶合的玻璃球面正透镜(21)和玻璃球面负透镜(22)组成；第二透镜组(2)为负光焦度透镜组；
第三透镜组(3)，从物端至像端依次由第一玻璃球面正透镜(31)和第二玻璃球面正透镜(32)组成；第三透镜组(3)为正光焦度透镜组。
2.根据权利要求1所述的一种投影机远心变焦镜头，其特征在于，第一透镜组(1)的焦距f1与该远心变焦镜头在广角端的焦距fw满足：1.2＜|f1/fw|＜1.9。
3.根据权利要求1所述的一种投影机远心变焦镜头，其特征在于，第二透镜组的焦距f2与该远心变焦镜头在广角端的焦距fw满足：2＜|f2/fw|＜2.9。
4.根据权利要求1所述的一种投影机远心变焦镜头，其特征在于，第三透镜组的焦距f3与该远心变焦镜头在广角端的焦距fw满足：1.3＜|f3/fw|＜1.56。
5.根据权利要求1所述的一种投影机远心变焦镜头，其特征在于，所述塑料非球面透镜(13)为朝物端凸出的月凹透镜。
6.根据权利要求1或5所述的一种投影机远心变焦镜头，其特征在于，所述塑料非球面透镜(13)的焦距fa与该远心变焦镜头在广角端的焦距fw满足：4.8＜|fa/fw|＜6。
7.根据权利要求1或3所述的一种投影机远心变焦镜头，其特征在于，所述第二透镜组(2)中玻璃球面正透镜(21)的色散系数v1和玻璃球面负透镜(22)的色散系数v2满足：1.5＜|v1/v2|＜2。
8.根据权利要求1所述的一种投影机远心变焦镜头，其特征在于，投影图像的半视场角ω满足：38°<ω<48°。
9.根据权利要求1所述的一种投影机远心变焦镜头，其特征在于，所述投影机远心变焦镜头的投影镜头的像方相对孔径FN满足：2.2≤FN≤2.5。
10.根据权利要求1所述的一种投影机远心变焦镜头，其特征在于，所述第二玻璃球面正透镜(32)在变焦时从广角侧向远距侧移动；投影机远心变焦镜头的入瞳位置在无穷远处，各视场的主光线与镜头的光轴平行。
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