CN109884780A - 一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，在投射方向上依次设置有：感光芯片、等效棱镜、振镜、折射透镜组件和非球面反射镜；所述的折射透镜组件沿投射方向依次设置有：能相对感光芯片前后移动的第一透镜组，所述第一透镜组的光焦度为正；能相对感光芯片前后移动的第二透镜组，所述第二透镜组的光焦度为正。本发明设置有振镜，分辨率非常高，支持4K分辨率；同时本发明群组数量少，仅包括第一透镜组和第二透镜组，结构简单，并且通过光焦度的合理分配，极大的降低了成本，提升了组装精度。

Description

一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统

【技术领域】

本发明涉及一种超短焦投影光学系统，尤其涉及一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统。

【背景技术】

近年来随着投影技术的发展，激光投影仪已经广泛应用于家用、教育、办公等领域，其中，超短焦投影因其投射距离短，投射画面大的特点，被广大消费者青睐。

目前市场上的超短焦投影镜头多采用折反射的光学结构，但设计结构复杂，主要体现在以下几个方面：1、镜片数量多，且因为折射光路的镜片会干涉到反射镜的反射光线，镜片被切割成半圆形，加工难度极大，镜片成本很高，同时为了组装半圆形镜片，对手部品也是异型，精度很难保证，导致组装后的镜头分辨率差，无法达到4K分辨率效果；2、为实现不同尺寸的投射画面，镜头内部增加调焦机构，使得群组数量大于3组，组装成本高，且因为群组数量多，高温特性较差。

本发明就是基于以上这种情况而产生的。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统。

为解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，在投射方向上依次设置有：感光芯片、等效棱镜、振镜、折射透镜组件和非球面反射镜；

所述的折射透镜组件沿投射方向依次设置有：

能相对感光芯片前后移动的第一透镜组，所述第一透镜组的光焦度为正；

能相对感光芯片前后移动的第二透镜组，所述第二透镜组的光焦度为正。

如上所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜组包括有沿投射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、光阑和第八透镜；

所述第二透镜组包括有沿投射方向依次设置的第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜和第十四透镜。

如上所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，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正，所述第三透镜的光焦度为负，所述第四透镜的光焦度为正，所述第三透镜和第四透镜为粘合透镜；所述第五透镜的光焦度为正，所述第六透镜的光焦度为负，所述第七透镜的光焦度为正，所述第六透镜和第七透镜为粘合透镜，所述第八透镜的光焦度为正，所述第九透镜的光焦度为正，所述第十透镜的光焦度为正，所述第十一透镜的光焦度为正，所述第十二透镜的光焦度为负，所述第十三透镜的光焦度为负，所述第十四透镜的光焦度为负。

如上所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述的感光芯片相对于光轴偏离放置，且感光芯片的中心与光轴的垂直距离大于5.5mm。

如上所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜组的光焦度为正，满足0.01≤|φ₄₁₀|≤0.012；所述第二透镜组的光焦度为正，满足0.04≤|φ₄₂₀|≤0.042；所述第二透镜组与非球面反射镜的距离为T，第一透镜到第十四透镜的距离为T₁₄，比值满足：1.19≤T₁₄/T≤1.23。

如上所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第二透镜为玻璃非球面，第二透镜的两面弯向非球面反射镜，且光焦度为正，光焦度φ₂满足：0.022≤|φ₂|≤0.025；所述第五透镜为玻璃非球面，所述第五透镜的光线入射面弯向感光芯片，光线射出面弯向非球面反射镜，且光焦度为正，光焦度φ₅满足：0.032≤|φ₅|≤0.034；所述第八透镜为玻璃非球面，所述第八透镜的光线射出面弯向非球面反射镜，光线入射面弯向感光芯片，且光焦度为正，光焦度φ₈满足：0.009≤|φ₈|≤0.01。

如上所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第十四透镜为塑胶非球面，所述第十四透镜的光线入射面弯向非球面反射镜，光线射出面弯向感光芯片，所述第十四透镜的光焦度为φ₁₄，且光焦度为负，满足0.027≤|φ₁₄|≤0.030，所述第十四透镜与所述光阑的距离为d，所述第一透镜到第十四透镜的距离为T₁₄，比值满足：d/T₁₄≥0.72。

如上所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第三透镜和第四透镜为胶合透镜，胶合面朝非球面反射镜方向弯曲，光焦度为负，满足：0.023≤|φ₃₄|≤0.025，所述第六透镜和第七透镜为胶合透镜，胶合面朝非球面反射镜方向弯曲，光焦度为负，满足：0.022≤|φ₆₇|≤0.024。

如上所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述的第二透镜、第五透镜和第八透镜为玻璃非球面，第十四透镜和非球面反射镜为塑胶非球面透镜。

如上所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述的第二透镜、第五透镜、第八透镜、第十四透镜和非球面反射镜的非球面的表面形状满足以下方程：

在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α₂至α₁₆分别表示各径向坐标所对应的系数。

与现有技术相比，本发明的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，达到了如下效果：

1、本发明设置有振镜，分辨率非常高，支持4K分辨率；同时本发明群组数量少，仅包括第一透镜组和第二透镜组，结构简单，并且通过光焦度的合理分配，极大的降低了成本，提升了组装精度。

2、本发明投影系统在光亮度输出≤5000流明时，光学焦点不发生漂移，从而实现镜头在投影机长时间开机使用时画面依然清晰，无需对焦。

【附图说明】

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1是本发明示意图；

图2是本发明光路示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

如图1和图2所示，一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，在投射方向上依次设置有：感光芯片100、等效棱镜200、振镜300、折射透镜组件400和非球面反射镜500；

所述的折射透镜组件400沿投射方向依次设置有：

能相对感光芯片100前后移动的第一透镜组410，所述第一透镜组410的光焦度为正；

能相对感光芯片100前后移动的第二透镜组420，所述第二透镜组420的光焦度为正。本发明设置有振镜，分辨率非常高，支持4K分辨率；同时本发明群组数量少，仅包括第一透镜组和第二透镜组，结构简单，并且通过光焦度的合理分配，极大的降低了成本，提升了组装精度。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第一透镜组410包括有沿投射方向依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、光阑15和第八透镜8；

所述第二透镜组420包括有沿投射方向依次设置的第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12、第十三透镜13和第十四透镜14。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第一透镜1的光焦度为正，所述第二透镜2的光焦度为正，所述第三透镜3的光焦度为负，所述第四透镜4的光焦度为正，所述第三透镜3和第四透镜4为粘合透镜；所述第五透镜5的光焦度为正，所述第六透镜6的光焦度为负，所述第七透镜7的光焦度为正，所述第六透镜6和第七透镜7为粘合透镜，所述第八透镜8的光焦度为正，所述第九透镜9的光焦度为正，所述第十透镜10的光焦度为正，所述第十一透镜11的光焦度为正，所述第十二透镜12的光焦度为负，所述第十三透镜13的光焦度为负，所述第十四透镜14的光焦度为负。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述的感光芯片100相对于光轴偏离放置，且感光芯片100的中心与光轴的垂直距离大于5.5mm。用来满足折射透镜组件的出射光线经过非球面反射镜后的光线与折射透镜组不干涉，镜片可加工成圆形镜片；所述的感光芯片可为0.65英寸，0.66英寸和.67英寸等。

影像光束从感光芯片发出，经过等效棱镜200以及振镜，当振镜进行周期性振动时，感光芯片发出的信号可扩展为2倍或4倍，投射画面的分辨率为感光芯片分辨率的2倍或4倍；折射透镜组件接收振镜输出的光线，在折射透镜组件和非球面反射镜之间进行第一次成像，非球面反射镜将第一次成像反射至投影屏幕形成高分辨率的图像。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第一透镜组410的光焦度为正，满足0.01≤|φ₄₁₀|≤0.012；所述第二透镜组420的光焦度为正，满足0.04≤|φ₄₂₀|≤0.042；所述第二透镜组420与非球面反射镜500的距离为T，第一透镜1到第十四透镜14的距离为T14，比值满足：1.19≤T₁₄/T≤1.23。当上述条件同时满足时，可实现镜头偏置大于140％，反射镜的反射光线与镜片不干涉，镜片可做成传统的圆形镜片，从而降低了成本，同时使得镜片装配时的对手部品易于加工，精度得到了保证，可实现批量化的生产。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第二透镜2为玻璃非球面，第二透镜2的两面弯向非球面反射镜，且光焦度为正，光焦度φ₂满足：0.022≤|φ₂|≤0.025；所述第五透镜5为玻璃非球面，所述第五透镜5的光线入射面弯向感光芯片，光线射出面弯向非球面反射镜，且光焦度为正，光焦度φ₅满足：0.032≤|φ₅|≤0.034；所述第八透镜8为玻璃非球面，所述第八透镜8的光线射出面弯向非球面反射镜，光线入射面弯向感光芯片，且光焦度为正，光焦度φ₈满足：0.009≤|φ₈|≤0.01。以上条件同时满足时，可校正不同投射距离下的场曲和畸变，使不同投射距离下的分辨率保持不变。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第十四透镜14为塑胶非球面，所述第十四透镜14的光线入射面弯向非球面反射镜500，光线射出面弯向感光芯片100，所述第十四透镜14的光焦度为φ₁₄，且光焦度为负，满足0.027≤|φ₁₄|≤0.030，所述第十四透镜14与所述光阑15的距离为d，所述第一透镜1到第十四透镜14的距离为T₁₄，比值满足：d/T₁₄≥0.72。上述条件同时满足时，可使投影系统在光亮度输出≤5000流明时，光学焦点不发生漂移，从而实现镜头在投影机长时间开机使用时画面依然清晰，无需对焦。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第三透镜3和第四透镜4为胶合透镜，胶合面朝非球面反射镜500方向弯曲，光焦度为负，满足：0.023≤|φ₃₄|≤0.025，所述第六透镜6和第七透镜7为胶合透镜，胶合面朝非球面反射镜500方向弯曲，光焦度为负，满足：0.022≤|φ₆₇|≤0.024；可校正大视场的垂轴色差和不同波长下的轴向色差，使光学系统有较好的色彩还原性。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述的第二透镜2、第五透镜5和第八透镜8为玻璃非球面，第十四透镜14和非球面反射镜500为塑胶非球面透镜。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述的第二透镜2、第五透镜5、第八透镜8、第十四透镜14和非球面反射镜500的非球面的表面形状满足以下方程：

在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α₂至α₁₆分别表示各径向坐标所对应的系数。

以下案例为可支持4K分辨率，适用于0.66英寸感光芯片的超短焦镜头的实际设计参数：

非球面反射镜S1的系数为：

k：-1.9

a₁：0

a₂：-6.9041281e-007

a₃：3.4378238e-011

a₄：-7.0344002e-015

a₅：3.9422153e-019

a₆：2.1182668e-023

a₇：-3.1605305e-027

a₇：-9.8546656e-031

第十四透镜14的第一面(即朝向非球面反射镜的面)S2的系数为：

k：-7.75

a₁：0

a₂：3.1247406e-006

a₃：5.7794209e-011

a₄：2.0692792e-012

a₅：5.2611666e-018

a₆：4.7565924e-021

a₇：2.3067248e-023

第十四透镜14的第二面(即朝向感光芯片的面)S3的系数为：

k：-0.83

a₁：0

a₂：2.2929133e-005

a₃：-9.3954147e-009

a₄：2.4684406e-012

a₅：5.758207e-018

a₆：7.1004376e-021

a₇：2.4231333e-023

第八透镜8的第一面S14的系数为：

k：16.467

a₁：0

a₂：-1.7940884e-005

a₃：1.1729275e-008

a₄：-2.0855595e-011

a₅：2.2083614e-015

a₆：5.9666719e-018

a₇：3.3508557e-020

第八透镜8的第二面S15的系数为：

k：-688.76

a₁：0

a₂：-1.665533e-005

a₃：1.828739e-008

a₄：-1.1974228e-011

a₅：6.8864607e-015

a₆：7.3940552e-017

a₇：-2.6171042e-019

第五透镜5的第一面S20的系数为：

k：-6.05

a₁：0

a₂：2.9893695e-005

a₃：-4.0364543e-007

a₄：1.3294304e-009

a₅：1.7441722e-012

a₆：1.2999978e-014

a₇：-5.032262e-016

第五透镜5的第二面S21的系数为：

k：-0.246

a₁：0

a₂：6.4983657e-005

a₃：-4.3980069e-007

a₄：2.3304877e-009

a₅：2.8737808e-013

a₆：-6.4532246e-015

a₇：-1.6780141e-017

第二透镜2的第一面S25的系数为：

k：348.50

a₁：0

a₂：6.7627703e-005

a₃：-1.9782493e-007

a₄：2.9598608e-010

a₅：1.5591812e-015

a₆：4.1851435e-018

a₇：1.472827e-019

第一透镜1的第二面S26的系数为：

k：0.207

a₁：0

a₂：6.4833491e-006

a₃：-1.8459836e-008

a₄：-1.3173755e-010

a₅：2.0490769e-015

a₆：-1.3882364e-017

a₇：7.0690322e-020

超短焦投影镜头的投射范围为0.4m至0.75m，第二透镜组420移动进行对焦，对焦时各透镜组之间的间隔变化范围如下：第一透镜组410与第二透镜组420之间的间隔为18.9～19.7mm,第二透镜组420与非球面反射镜500之间的间隔为106～107mm。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，在投射方向上依次设置有：感光芯片(100)、等效棱镜(200)、振镜(300)、折射透镜组件(400)和非球面反射镜(500)；

所述的折射透镜组件(400)沿投射方向依次设置有：

能相对感光芯片(100)前后移动的第一透镜组(410)，所述第一透镜组(410)的光焦度为正；

能相对感光芯片(100)前后移动的第二透镜组(420)，所述第二透镜组(420)的光焦度为正。

2.根据权利要求1所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜组(410)包括有沿投射方向依次设置的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)、光阑(15)和第八透镜(8)；

所述第二透镜组(420)包括有沿投射方向依次设置的第九透镜(9)、第十透镜(10)、第十一透镜(11)、第十二透镜(12)、第十三透镜(13)和第十四透镜(14)。

3.根据权利要求2所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)的光焦度为正，所述第二透镜(2)的光焦度为正，所述第三透镜(3)的光焦度为负，所述第四透镜(4)的光焦度为正，所述第三透镜(3)和第四透镜(4)为粘合透镜；所述第五透镜(5)的光焦度为正，所述第六透镜(6)的光焦度为负，所述第七透镜(7)的光焦度为正，所述第六透镜(6)和第七透镜(7)为粘合透镜，所述第八透镜(8)的光焦度为正，所述第九透镜(9)的光焦度为正，所述第十透镜(10)的光焦度为正，所述第十一透镜(11)的光焦度为正，所述第十二透镜(12)的光焦度为负，所述第十三透镜(13)的光焦度为负，所述第十四透镜(14)的光焦度为负。

4.根据权利要求1所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述的感光芯片(100)相对于光轴偏离放置，且感光芯片(100)的中心与光轴的垂直距离大于5.5mm。

5.根据权利要求2所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第一透镜组(410)的光焦度为正，满足0.01≤|φ₄₁₀|≤0.012；所述第二透镜组(420)的光焦度为正，满足0.04≤|φ₄₂₀|≤0.042；所述第二透镜组(420)与非球面反射镜(500)的距离为T，第一透镜(1)到第十四透镜(14)的距离为T₁₄，比值满足：1.19≤T₁₄/T≤1.23。

6.根据权利要求2所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第二透镜(2)为玻璃非球面，第二透镜(2)的两面弯向非球面反射镜，且光焦度为正，光焦度φ₂满足：0.022≤|φ₂|≤0.025；所述第五透镜(5)为玻璃非球面，所述第五透镜(5)的光线入射面弯向感光芯片，光线射出面弯向非球面反射镜，且光焦度为正，光焦度φ₅满足：0.032≤|φ₅|≤0.034；所述第八透镜(8)为玻璃非球面，所述第八透镜(8)的光线射出面弯向非球面反射镜，光线入射面弯向感光芯片，且光焦度为正，光焦度φ₈满足：0.009≤|φ₈|≤0.01。

7.根据权利要求2所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第十四透镜(14)为塑胶非球面，所述第十四透镜(14)的光线入射面弯向非球面反射镜(500)，光线射出面弯向感光芯片(100)，所述第十四透镜(14)的光焦度为φ₁₄，且光焦度为负，满足0.027≤|φ₁₄|≤0.030，所述第十四透镜(14)与所述光阑(15)的距离为d，所述第一透镜(1)到第十四透镜(14)的距离为T₁₄，比值满足：d/T₁₄≥0.72。

8.根据权利要求3所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述第三透镜(3)和第四透镜(4)为胶合透镜，胶合面朝非球面反射镜(500)方向弯曲，光焦度为负，满足：0.023≤|φ₃₄|≤0.025，所述第六透镜(6)和第七透镜(7)为胶合透镜，胶合面朝非球面反射镜(500)方向弯曲，光焦度为负，满足：0.022≤|φ₆₇|≤0.024。

9.根据权利要求3所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述的第二透镜(2)、第五透镜(5)和第八透镜(8)为玻璃非球面，第十四透镜(14)和非球面反射镜(500)为塑胶非球面透镜。

10.根据权利要求9所述的一种低成本、高分辨率的超短焦投影光学系统，其特征在于，所述的第二透镜(2)、第五透镜(5)、第八透镜(8)、第十四透镜(14)和非球面反射镜(500)的非球面的表面形状满足以下方程：

在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α₂至α₁₆分别表示各径向坐标所对应的系数。